[發(fā)明專利]碳纖維增強碳基-陶瓷基復合材料連接件的制備工藝

在審

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• 申請日: 2014-11-28
• 公開（公告）號: CN105622125A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發(fā)明（設計）人: 湯素芳;龐生洋;王石軍;胡成龍;劉方;黃宏濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B35/622
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

技術領域

本發(fā)明涉及碳纖維增強碳基-陶瓷基復合材料的制備和加工領域，具體涉及 一種碳纖維增強碳基-陶瓷基復合材料連接件的制備工藝，該工藝主要用于制備 螺栓、螺母和銷釘等連接緊固件。

背景技術

隨著航天航空技術的發(fā)展以及未來飛行器的發(fā)展需求，輕質、高強碳纖維增 強的高溫結構復合材料日益成為支撐高超聲速飛行器與發(fā)動機發(fā)展的主要關鍵 結構材料。其中，碳纖維增強的碳基-陶瓷基復合材料，主要包括C/C-SiC、C/SiC 等，是目前性能最為優(yōu)良的一類輕質高溫結構復合材料，各國均將其列為優(yōu)先發(fā) 展目標。該類復合材料具有密度低、比強度大、熱膨脹小、耐燒蝕等特點，并具 有突出的高溫性能，在1650℃甚至以上仍能保持高強度，目前已作為高溫熱防 護材料廣泛應用于航天航空等多個領域。但由于碳纖維增強的碳基-陶瓷基復合 材料實現大型、精密、復雜構件十分困難，且在某些特殊領域需采用小尺寸構件 以解決熱相應問題，因此研究開發(fā)可靠的連接技術，對該類復合材料的應用有著 至關重要的意義。

C/C-SiC、C/SiC復合材料的連接方法大體可以分為3類：粘接、焊接和機 械連接。粘接具有操作簡單、實施性強，但高溫下易開裂等缺點；焊接其優(yōu)點是 連接性能可靠，但工藝一般較復雜；而螺栓連接具有簡單可靠且可重復拆卸的優(yōu) 點，是一種應用較廣的機械連接方式。C/C-SiC、C/SiC復合材料的螺栓連接既 克服了金屬螺栓使用溫度低或者密度大、陶瓷螺栓承載力差等問題，又克服了 C/C復合材料螺栓不抗氧化的問題，是未來航天航空領域將重點發(fā)展的一種連接 方式。盡管如此，由于C/C-SiC、C/SiC復合材料螺栓的制備周期長、成本高、 成品率低，從而大大限制了其應用范圍。

發(fā)明內容

針對現有技術存在的上述不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維增強 碳基-陶瓷基復合材料連接件的制備工藝，該工藝制備的碳纖維增強陶瓷基復合 材料強度大，制備成本大大降低，制備周期控制在500h以內，成品率達到95％ 以上。

為實現上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：

一種碳纖維增強碳基-陶瓷基復合材料連接件的制備工藝，包括如下步驟：

(1)碳纖維預制體的選擇：

預制體選用2D針刺結構，采用一層T70012K(或3K、6K)PANCF無緯 布與一層T70012KPANCF網胎交替鋪層，無緯布為0°/90°鋪層，1.X+1.Y方式 連續(xù)針刺而成，體積密度在0.4～0.65g/cm³之間，針刺密度在30～50針/cm²，層 間密度14-20層/cm；碳纖維預制體的尺寸根據所需要制備的連接件設定。

(2)在碳纖維預制體上沉積碳或碳化硅基體制得毛壞材料：

將碳纖維預制體置于帶有水冷壁的HCVI設備內，通過快速化學氣相滲工藝 (HCVI)進行沉積，沉積溫度為900～1250℃；沉積碳基體時，采用Ar或N₂作 為稀釋氣體，稀釋氣體流量為0.3～1.4m³/h；碳氫氣體為反應氣體，反應氣體流 量為0.5～1.4m³/h，沉積時間控制在35小時以內，制備出來的毛坯材料密度為 1.4～1.6g/cm³，滿足加工要求；沉積SiC基體時，采用Ar或N₂為稀釋氣體，稀 釋氣體流量為0.1～0.4m³/h；以H₂為載體的三氯甲基硅烷(MTS)為反應氣體，H₂流量在0.05～0.2m³/h，MTS流量控制在40～100g/h，沉積時間控制在50小時以內， 制備出來的毛坯材料密度為1.6～1.8g/cm³，滿足加工要求。

(3)機械加工：

將制備好的毛坯材料加工成若干連接件拼接的形狀，即毛壞件Ⅰ，超聲清洗 后烘干，烘干溫度130～180℃，加工方式為車削、銑削、磨削或數控加工。

(4)等溫CVI工藝沉積SiC基體：