專利名稱：一種提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法，具體涉及ー種在C/C復合材料與其自身之間原位合成SiC納米線增強陶瓷連接層的方法以提高其連接性能的制備方法。
背景技術：
C/C復合材料具有高比強度、高溫性能好等特點，是理想的高溫熱結構材料。但由于該材料的氣化溫度超過3000° C，故不能采用傳統(tǒng)的熔化方法進行焊接；此外，由于機械連接需要在該材料上打孔，不可避免會對該材料的微觀結構造成破壞，同時螺栓和孔洞等邊角位置容易發(fā)生應力集中現(xiàn)象，這會導致構件整體強度變低。故C/C復合材料的連接通常需要引入中間連接層，降低連接溫度。然而，中間連接層本身力學性能及界面結合是限制C/C復合材料與其自身連接性能的主要問題。又獻“The reinforcing mecnanism of caroon iioer in composite adnesivefor bonding carbon/carbon composites, Yunfeng Zhang,Ruiying Luo,JiangsongZhang, Qiao Xiang, Journal of Materials Processing Technology211 (2011) 167 173，，公開了ー種采用料漿法、熱壓法以及熱處理相結合的三步技術在C/C復合材料之間制備出碳纖維增強的復合粘膠劑連接層，該技術可通過調(diào)整碳纖維的含量實現(xiàn)對連接層的最佳增強效果，但由于碳纖維在連接層中易團聚，分散不均勻，使增強效果受限；此外，摻雜的碳纖維只能單方面的提高連接層自身的力學性能，而在改善連接層與C/C基體之間的界面結合方面所起效果甚微，因此大大限制了 C/C復合材料與其自身的連接性能，如當碳纖維體積含量為6%時獲得的剪切強度最高僅為11.38MPa。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術問題為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出ー種提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法，克服現(xiàn)技術制備的連接層與C/C之間的界面結合差以及在連接層中引入的增強相分散性差等因素，提高C/C與其自身之間的連接性能。技術方案—種提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法，其特征在于步驟如下:步驟1:將C/C復合材料清洗后，放入烘箱中烘干；步驟2:將質(zhì)量百分比為70 85%的Si粉，5 15%的SiC粉，7 15%的C粉和3 10%的Al2O3粉，置于聚四氟こ烯球磨罐中，球磨混合處理2 4h得到混合的粉料；步驟3:將粉料覆蓋 入石墨坩堝中，再放入烘干的C/C復合材料，再在C/C復合材料上覆蓋粉料；步驟4:將石墨坩堝放入高溫反應燒結爐中，以5 10° C/min升溫速度將爐溫從室溫升至2000 2200° C，保溫I 3h ;隨后關閉電源自然冷卻至室溫，全程Ar氣保護，得到硅基陶瓷改性的C/C復合材料；步驟5:采用石墨紙包裹步驟4制備的硅基陶瓷改性的C/C復合材料，放入高溫反應燒結爐中，以5 10° C/min升溫速度將爐溫從室溫升至1400 1600° C，保溫I 3h;關閉電源自然冷卻至室溫，全程Ar氣保護，得到表面帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料；步驟6:將質(zhì)量百分比為10 20%的MgO粉，20 30%的Al2O3粉，45 55%的SiO2粉，I 5%的BaO粉，I 5%的B2O3粉，I 5%的TiO2粉和I 5%的SbO3粉置于聚四氟こ烯球磨罐中，混合球磨2 4h后，裝入氧化鋁坩堝中置于1550 1650°C氧化爐中保溫2 4h，取出水淬，得到鎂鋁硅MAS玻璃塊；再將得到的MAS玻璃塊破碎并置于聚四氟こ烯球磨罐中球磨8 12h后,過篩得到粒度為300目的鎂招娃粉末；步驟7:將鎂鋁硅粉末與酒精混合形成鎂鋁硅料漿，將鎂鋁硅料漿平鋪于兩層帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料之間，再置于熱壓模具中，并置于真空熱壓爐中；步驟8:以5 15°C/min升溫速度將爐溫從室溫升至1100 1300°C后，保溫20 40min并加載5 7KPa壓カ，卸壓后關閉電源自然冷卻至室溫，得到采用陶瓷連接層連接的C/C復合材料。所述的Si粉的純度為99.5%、粒度為300目。所述的C粉的純度為99%，粒度為320目。所述的SiC粉的純度 為98.5%、粒度為300目。所述的SiO2粉、Al2O3粉、MgO粉、BaO粉、B2O3粉、TiO2粉或SbO3粉的純度均為分析純、粒度為300目。有益效果本發(fā)明提出的ー種提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法，在C/C復合材料與其自身之間原位合成SiC納米線增強陶瓷連接層的方法，利用納米線的拔出橋連增強作用以及界面釘扎效應，實現(xiàn)C/C復合材料與其自身連接性能的提高。本發(fā)明的有益效果:通過在C/C復合材料與其自身之間原位合成SiC納米線增強陶瓷連接層，克服了背景技術中在連接層中引入的增強相易團聚、分散性差以及連接層與C/C之間的界面結合差等難題，制備的陶瓷連接層可顯著地提高C/C復合材料與其自身連接性能。與背景技術相比，其剪切強度可提高到14.09 15.1MPa0


圖1是本發(fā)明實施例2所制備的硅基陶瓷改性的C/C復合材料表面SiC納米線多孔層SEM圖片；圖2是本發(fā)明實施例2所制備的陶瓷連接層的截面SEM圖片；圖3是本發(fā)明實施例2所制備的采用陶瓷連接層連接的C/C復合材料在剪切試驗過程中的載荷-位移曲線圖；圖4是本發(fā)明實施例2所制備的陶瓷連接層的剪切斷面SEM圖片。
具體實施方式
現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:實施例1:將C/C復合材料用無水乙醇洗滌干凈后，于烘箱中烘干備用。分別稱取75g的Si粉，15g的SiC粉，15g的C粉，IOg的Al2O3粉。置于聚四氟乙烯球磨罐中，取不同數(shù)量不同直徑的瑪瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨機上進行球磨混合處理2h，得到混合粉料。將反應燒結粉料的1/2放入石墨坩堝，放入制備好的C/C復合材料，再放入1/2的反應燒結粉料，使粉料均勻地包覆C/C復合材料，然后將石墨坩堝放入高溫反應燒結爐中，之后將爐溫升至2200° C，升溫速率為10° C/min，然后保溫lh，隨后關閉電源自然冷卻至室溫，整個過程中通Ar保護，隨后取出坩堝，清理粉料，得到表面被硅基陶瓷改性的C/C復合材料。將得到的硅基陶瓷改性的C/C復合材料用石墨紙包裹后，放入高溫反應燒結爐中，之后將爐溫升至1400° C，升溫速率為5° C/min，然后保溫3h，隨后關閉電源自然冷卻至室溫，整個過程中通Ar保護，隨后取出硅基陶瓷改性的C/C復合材料，清理表面的石墨紙，得到表面帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料。分別稱取分別稱取IOg的MgO粉，24.5g的Al2O3粉，55g的SiO2粉，3g的BaO粉，
2.5g的B2O3粉，5g的TiO2粉和0.5g的SbO3粉，置于聚四氟乙烯球磨罐中，取不同數(shù)量不同直徑的瑪瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨機上進行球磨混合處理2h，取出后將粉料再裝入氧化鋁坩堝并置于1550° C氧化爐中，保溫2h后取出直接投入干凈的冷水中。待坩堝里的玻璃充分冷卻后取出玻璃塊，砸碎置于聚四氟乙烯球磨罐中球磨8h后過300目粉料篩得到MAS粉料備用。

取MAS粉料lg，酒精2ml于燒杯中混合得到MAS料漿，將此料漿全部平鋪于帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料表面，再將另一個帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料平放于在其上面，之后放入熱壓模具中。將熱壓模具放入真空熱壓爐中，抽真空到-0.1MPa以內(nèi)，再以5° C/min升溫到1100° C，施加5KPa的壓力，保溫保壓20min后斷電自冷卻至室溫，得到采用陶瓷連接層連接的C/C復合材料。試驗結果表明，其剪切強度高達14.09MPa。實施例2:將C/C復合材料用無水乙醇洗滌干凈后，于烘箱中烘干備用。分別稱取78g的Si粉，IOg的SiC粉，Ilg的C粉，6g的Al2O3粉。置于聚四氟乙烯球磨罐中，取不同數(shù)量不同直徑的瑪瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨機上進行球磨混合處理3h，得到反應燒結粉料。將反應燒結粉料的1/2放入石墨坩堝，放入制備好的C/C復合材料，再放入1/2的反應燒結粉料，使粉料均勻地包覆C/C復合材料，然后將石墨坩堝放入高溫反應燒結爐中，之后將爐溫升至2100° C，升溫速率為7° C/min，然后保溫2h，隨后關閉電源自然冷卻至室溫，整個過程中通Ar保護，隨后取出坩堝，清理粉料，得到表面被硅基陶瓷改性的C/C復合材料。將得到的硅基陶瓷改性的C/C復合材料用石墨紙包裹后，放入高溫反應燒結爐中，之后將爐溫升至1500° C，升溫速率為7° C/min，然后保溫2h，隨后關閉電源自然冷卻至室溫，整個過程中通Ar保護，隨后取出硅基陶瓷改性的C/C復合材料，清理表面的石墨紙，得到表面帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料。分別稱取 14.5g 的 MgO 粉，24g 的 Al2O3 粉，51g 的 SiO2 粉，3g 的 BaO 粉，2.5g 的 B2O3粉，5g的TiO2粉和0.5g的SbO3粉，置于聚四氟乙烯球磨罐中，取不同數(shù)量不同直徑的瑪瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨機上進行球磨混合處理3h，取出后將粉料再裝入氧化鋁坩堝并置于1600° C氧化爐中，保溫3h后取出直接投入干凈的冷水中，待坩堝里的玻璃充分冷卻后取出玻璃塊，砸碎置于聚四氟乙烯球磨罐中球磨IOh后過300目粉料篩得到MAS粉料備用。取MAS粉料lg，酒精2ml于燒杯中混合得到MAS料漿，將此料漿全部平鋪于帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料表面，再將另一個帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料平放于在其上面，之后放入熱壓模具中。將熱壓模具放入真空 熱壓爐中，抽真空到-0.1MPa以內(nèi)，再以10° C/min升溫到1200° C，施加6KPa的壓力，保溫保壓30min后斷電自冷卻至室溫，得到采用陶瓷連接層連接的C/C復合材料。試驗結果表明，其剪切強度高達15.1MPa0由圖1可見，原位合成的SiC納米線多孔層主要由自由取向、無規(guī)則分布的SiC納米線組成，并且均勻分布硅基陶瓷表面。由圖2可見，制備的陶瓷連接層主要是由硅基陶瓷連接層和MAS玻璃陶瓷連接層組成，且制備的連接層中存在明顯的孔洞和裂紋等缺陷。由圖3可見，在剪切試驗過程中，陶瓷連接層的斷裂為典型的脆性斷裂。由圖4可見，陶瓷連接層的斷面有大量的拔出和脫粘的SiC納米線，說明納米線在提高C/C復合材料與其自身連接性能方面起到了至關重要的作用。實施例3將C/C復合材料用無水乙醇洗滌干凈后，于烘箱中烘干備用。分別稱取78g的Si粉，IOg的SiC粉，Ilg的C粉，6g的Al2O3粉。置于聚四氟乙烯球磨罐中，取不同數(shù)量不同直徑的瑪瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨機上進行球磨混合處理3h，得到反應燒結粉料。將反應燒結粉料的1/2放入石墨坩堝，放入制備好的C/C復合材料，再放入1/2的反應燒結粉料，使粉料均勻地包覆C/C復合材料，然后將石墨坩堝放入高溫反應燒結爐中，之后將爐溫升至2000° C，升溫速率為5° C/min，然后保溫2h，隨后關閉電源自然冷卻至室溫，整個過程中通Ar保護，隨后取出坩堝，清理粉料，得到表面被硅基陶瓷改性的C/C復合材料。將得到的硅基陶瓷改性的C/C復合材料用石墨紙包裹后，放入高溫反應燒結爐中，之后將爐溫升至1600° C，升溫速率為10° C/min，然后保溫lh，隨后關閉電源自然冷卻至室溫，整個過程中通Ar保護，隨后取出硅基陶瓷改性的C/C復合材料，清理表面的石墨紙，得到表面帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料。分別稱取20g 的 MgO 粉，20g 的 Al2O3 粉，49.5g 的 SiO2 粉，3g 的 BaO 粉，2.5g 的 B2O3粉，5g的TiO2粉和0.5g的SbO3粉，置于聚四氟乙烯球磨罐中，取不同數(shù)量不同直徑的瑪瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨機上進行球磨混合處理4h，取出后將粉料再裝入氧化鋁坩堝并置于1650° C氧化爐中，保溫4h后取出直接投入干凈的冷水中。待坩堝里的玻璃充分冷卻后取出玻璃塊，砸碎置于聚四氟乙烯球磨罐中球磨12h后過300目粉料篩得到MAS粉料備用。
取MAS粉料lg，酒精2ml于燒杯中混合得到MAS料漿，將此料漿全部平鋪于帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料表面，再將另一個帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料平放于在其上面，之后放入熱壓模具中。將熱壓模具放入真空熱壓爐中，抽真空到-0.1MPa以內(nèi)，再以15°C /min升溫到1300°C，加載7KPa壓力，保溫保壓40min后斷電自冷卻至室溫，得到采用陶瓷連接層連接的C/C復合材料。試驗結果 表明，其剪切強度高達14.6MPa。
權利要求
1.ー種提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:將C/C復合材料清洗后，放入烘箱中烘干； 步驟2:將質(zhì)量百分比為70 85%的Si粉，5 15%的SiC粉，7 15%的C粉和3 10%的Al2O3粉，置于聚四氟こ烯球磨罐中，球磨混合處理2 4h得到混合的粉料； 步驟3:將粉料覆蓋入石墨坩堝中，再放入烘干的C/C復合材料，再在C/C復合材料上覆蓋粉料； 步驟4:將石墨坩堝放入高溫反應燒結爐中，以5 10° C/min升溫速度將爐溫從室溫升至2000 2200° C，保溫I 3h ;隨后關閉電源自然冷卻至室溫，全程Ar氣保護，得到硅基陶瓷改性的C/C復合材料； 步驟5:采用石墨紙包裹步驟4制備的硅基陶瓷改性的C/C復合材料，放入高溫反應燒結爐中，以5 10° C/min升溫速度將爐溫從室溫升至1400 1600° C，保溫I 3h ;關閉電源自然冷卻至室溫，全程Ar氣保護，得到表面帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料； 步驟6:將質(zhì)量百分比為10 20%的MgO粉，20 30%的Al2O3粉，45 55%的SiO2粉，I 5%的BaO粉，I 5%的B2O3粉，I 5%的TiO2粉和I 5%的SbO3粉置于聚四氟こ烯球磨罐中，混合球磨2 4h后，裝入氧化鋁坩堝中置于1550 1650°C氧化爐中保溫2 4h，取出水淬，得到鎂鋁硅MAS玻璃塊；再將得到的MAS玻璃塊破碎井置于聚四氟こ烯球磨罐中球磨8 12h后,過篩得到粒度為300目的鎂招娃粉末； 步驟7:將鎂鋁硅粉末與酒精混合形成鎂鋁硅料漿，將鎂鋁硅料漿平鋪于兩層帶有SiC納米線多孔層的硅基陶瓷改性的C/C復合材料之間，再置于熱壓模具中，并置于真空熱壓爐中； 步驟8:以5 15°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1100 1300°C后，保溫20 40min并加載5 7KPa壓力，卸壓后關閉電源自然冷卻至室溫，得到采用陶瓷連接層連接的C/C復合材料。
2.根據(jù)權利要求1所述提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法，其特征在于:所述的Si粉的純度為99.5%、粒度為300目。
3.根據(jù)權利要求1所述提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法，其特征在于:所述的C粉的純度為99%，粒度為320目。
4.根據(jù)權利要求1所述提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法，其特征在于:所述的SiC粉的純度為98.5%、粒度為300目。
5.根據(jù)權利要求1所述提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法，其特征在于:所述的SiO2粉、Al2O3粉、MgO粉、BaO粉、B2O3粉、TiO2粉或SbO3粉的純度均為分析純、粒度為300 目。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高碳/碳復合材料與自身連接性能的方法，在C/C復合材料與其自身之間原位合成SiC納米線增強陶瓷連接層的方法，利用納米線的拔出橋連增強作用以及界面釘扎效應，實現(xiàn)C/C復合材料與其自身連接性能的提高。本發(fā)明的有益效果通過在C/C復合材料與其自身之間原位合成SiC納米線增強陶瓷連接層，克服了背景技術中在連接層中引入的增強相易團聚、分散性差以及連接層與C/C之間的界面結合差等難題，制備的陶瓷連接層可顯著地提高C/C復合材料與其自身連接性能。與背景技術相比，其剪切強度可提高到14.09～15.1MPa。
文檔編號C04B41/87GK103121858SQ20131002368
公開日2013年5月29日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權日2013年1月23日
發(fā)明者李賀軍, 褚衍輝, 彭晗, 李露, 付前剛, 李克智 申請人:西北工業(yè)大學