一種在SiC基纖維復(fù)合材料表面粘結(jié)絕緣材料的粘結(jié)劑及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在SiC基纖維復(fù)合材料表面粘結(jié)絕緣材料的粘結(jié)劑及其使用方 法，屬于表面加工及涂層領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] SiC基纖維復(fù)合材料，如碳纖維增韌SiC材料、SiC纖維增韌SiC材料等，是一類重 要的功能材料，在航空航天領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和空天飛行器的 熱防護(hù)體系等。近年來(lái)，SiC基纖維復(fù)合材料在快速升降溫條件下的失效表征越來(lái)越引起 人們的關(guān)注，如測(cè)試快速升降溫過(guò)程中SiC基纖維復(fù)合材料的瞬間溫度、瞬間應(yīng)變等。測(cè)試 材料溫度的方法有熱電阻法、熱電偶法、紅外測(cè)溫法等；測(cè)試應(yīng)變的方法有電測(cè)法、光測(cè)法、 機(jī)械測(cè)法等?？紤]到SiC基纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的狹小高溫的應(yīng)用環(huán)境，以及瞬 間溫度、瞬間應(yīng)變的測(cè)試要求，薄膜熱電偶測(cè)溫方法和薄膜電阻應(yīng)變測(cè)試方法成為快速升 降溫過(guò)程中SiC基纖維復(fù)合材料的瞬間溫度、瞬間應(yīng)變的最佳測(cè)試方法。然而，由于SiC基 纖維復(fù)合材料微米級(jí)編織狀的疏松多孔結(jié)構(gòu)，其微米級(jí)孔洞可導(dǎo)致薄膜熱電偶和薄膜電阻 應(yīng)變計(jì)的功能層缺損；由于SiC基纖維復(fù)合材料微米級(jí)編織結(jié)構(gòu)，在變溫環(huán)境下，由熱膨脹 導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)位移將破壞薄膜熱電偶和薄膜電阻應(yīng)變計(jì)的功能層；由于SiC基纖維復(fù)合材 料的電學(xué)性質(zhì)較好，可導(dǎo)致薄膜熱電偶和薄膜電阻應(yīng)變計(jì)的功能層與SiC基纖維復(fù)合材料 間短路?；谏鲜鲈?，需在SiC基纖維復(fù)合材料表面首先制備連續(xù)致密的絕緣層，再在 絕緣層上制備薄膜熱電偶和薄膜電阻應(yīng)變計(jì)的功能層，實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC基纖維復(fù)合材料瞬間溫 度、瞬間應(yīng)變的測(cè)試。
[0003] 目前，在對(duì)SiC基纖維復(fù)合材料表面制備涂層/薄膜的方法有X. Yin等人 (Materials Science&Engineering A, 2000, Vol. 290:89-94)提出的以 Cr03、H2SO4為原料 的 CrSi 滲透方法；F. Smeacetto 等人（Carbon, 2002, Vol. 40:583-587)提出的以 Y203、BC、 BaBSiOxS原料的直接反應(yīng)法；F. Lusquifios等人（Surface&Coatings Technology, 2008, V ol. 202:1588-1593)提出的以510+5102或SiC+Si為原料的激光熔融方法；F. Smeacetto等 人（Ceramics International, 2008, Vol. 34:1297-1301)提出的以 515102、六1203、丫203為原 料的高溫?zé)Y(jié)方法；S. Costil 等人（Applied Surface Science, 2008, Vol. 255:2425-2432) 提出的直接激光福照方法；Patrick Ritt 等人（Surface&Coatings Technology, 2012， Vol. 206:4166-4172)提出的以Mo (CO)6、Si、B等粉體為原料的燒結(jié)方法；X. Yang等人 (Vacuum, 2013, Vol. 96:63-68)提出的以 Zr、Si,、PCS-DVB、Al2O3等粉體為原料的燒結(jié) 方法；M. Albano 等人（Acta Astronautica, 2014, Vol. 99:276-282)提出的以 CH3SiCK CH3SiCl3S原料的化學(xué)氣象沉積方法；Y.P. Xie 等人（Ceramics International, 2014, V ol. 40:6875-6880)提出的以C3H6、CH3SiCl3、H 2、Ar為原料的化學(xué)氣相滲透方法等。
[0004] 上述方法均存在一些不足之處，如，若以化學(xué)氣相滲透方法制備涂層/薄膜，則存 在反應(yīng)溫度過(guò)高，易破壞SiC基纖維復(fù)合材料，同時(shí)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)、效率低下等問(wèn)題；若以直接 燒結(jié)方法制備涂層/薄膜，則存在燒結(jié)溫度過(guò)高、易破壞SiC基纖維復(fù)合材料等問(wèn)題；若以 激光輻照方法制備涂層/薄膜，則存在激光束斑小、效率低下、輻照表面溫度難以控制等問(wèn) 題；若以粉體燒結(jié)方法方法制備涂層/薄膜，則存在涂層/薄膜表面粗糙度過(guò)大、涂層表面 存在大量無(wú)規(guī)則裂縫等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明通過(guò)以Ca2SiO4粉末、Na 2Si03粉末和SiO 2粉末為原料的燒結(jié)方法，解決了 上述問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明提供了一種在SiC基纖維復(fù)合材料表面上粘結(jié)絕緣材料的粘結(jié)劑，所述粘 結(jié)劑由Ca 2SiO4粉末、Na2SiO3粉末和SiO 2粉末組成，所述Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末和SiO2 粉末的摩爾比為3?12 :4 :16。
[0007] 本發(fā)明所述SiC基纖維復(fù)合材料優(yōu)選為現(xiàn)有技術(shù)中的碳纖維增韌SiC材料、SiC 纖維增韌SiC材料、碳纖維增韌Si3N4材料、碳纖維增韌CN材料、SiC纖維增韌Si 3N4材料和 SiC纖維增韌CN材料等。
[0008] 本發(fā)明所述絕緣材料優(yōu)選為石英片、氧化鋁片和云母片等，所述絕緣材料厚度優(yōu) 選為彡500 μm。
[0009] 本發(fā)明的另一目的是利用上述粘結(jié)劑在SiC基纖維復(fù)合材料表面上粘結(jié)絕緣材 料的方法，所述方法包括如下步驟：
[0010] 當(dāng)粘結(jié)劑層為單層時(shí)：
[0011] 將Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末與SiO 2粉末按摩爾比為3?12 :4 :16混合，得到混 合粉體，將混合粉體置于SiC基纖維復(fù)合材料表面上，將絕緣材料置于混合粉體上，燒結(jié)， 冷卻至室溫；
[0012] 當(dāng)粘結(jié)劑層為多層時(shí)：
[0013] ①將Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末與SiO 2粉末按摩爾比為3?12 :4 :16混合，得到 混合粉體；
[0014] ②將步驟①所得的混合粉體置于SiC基纖維復(fù)合材料表面上，燒結(jié)，冷卻至室溫；
[0015] ③重復(fù)步驟①操作，將本步驟得到的混合粉體置于上一步驟所得產(chǎn)品的粘結(jié)劑層 上，燒結(jié)，冷卻至室溫；
[0016] ④重復(fù)步驟③操作，得到多層粘結(jié)劑層，在最后一次燒結(jié)粘結(jié)劑層時(shí)，將絕緣材料 置于最后一次配制的混合粉體上，燒結(jié)，冷卻至室溫。
[0017] 本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末與SiO2粉末的摩爾比，制備出具有不 同熱膨脹系數(shù)的粘結(jié)劑層，使粘結(jié)劑層與SiC基纖維復(fù)合材料的結(jié)合處具有與SiC基纖維 復(fù)合材料相近的熱膨脹系數(shù)，同時(shí)也使粘結(jié)劑層與絕緣材料的結(jié)合處具有與絕緣材料相近 的熱膨脹系數(shù)。
[0018] 本發(fā)明所述混合操作優(yōu)選為將Ca2SiO4粉末、Na 2Si03粉末、SiO 2粉末與水球磨、干 燥。
[0019] 本發(fā)明所述球磨時(shí)間優(yōu)選為10?600min。
[0020] 本發(fā)明所述混合粉體在SiC基纖維復(fù)合材料表面上的覆蓋量?jī)?yōu)選為0. 01?0. 2g/ cm2。
[0021] 本發(fā)明所述混合粉體在粘結(jié)劑層上的覆蓋量?jī)?yōu)選為0. 01?0. 2g/cm2。
[0022] 本發(fā)明所述燒結(jié)溫度優(yōu)選為950?1100 °C。
[0023] 本發(fā)明所述燒結(jié)時(shí)間優(yōu)選為30?120min。
[0024] 本發(fā)明所述冷卻方法優(yōu)選為從燒結(jié)溫度勻速降溫至100°C的降溫時(shí)間多12h，從 100°C勻速降溫至室溫的降溫時(shí)間彡lh。
[0025] 本發(fā)明有益效果為：
[0026] ①本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末與SiO2粉末的摩爾比，制備出具有 不同熱膨脹系數(shù)的粘結(jié)劑層，并與SiC基纖維復(fù)合材料表面和絕緣材料表面形成良好的粘 結(jié)性能；
[0027] ②本發(fā)明所述粘結(jié)劑層可耐溫度高達(dá)800°C ;
[0028] ③本發(fā)明所述混合粉體不含有機(jī)物、硫化物、氮化物和氟化物等，燒結(jié)過(guò)程中不產(chǎn) 生污染，燒結(jié)后無(wú)需后處理，可直接在絕緣材料上制備薄膜熱電偶或薄膜電阻應(yīng)變計(jì)等；
[0029] ④本發(fā)明還可以在SiC基纖維復(fù)合材料表面上利用本發(fā)明所述粘結(jié)劑粘結(jié)其他 性質(zhì)的功能材料；
[0030] ⑤本發(fā)明粘結(jié)方法簡(jiǎn)單、成本低廉、燒結(jié)周期短、燒結(jié)過(guò)程易于控制、產(chǎn)率高、便于 大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 本發(fā)明附圖9幅，
[0032] 圖1為實(shí)施例1?5制備的產(chǎn)品的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖2為實(shí)施例1制備的產(chǎn)品的粘結(jié)劑層與碳纖維增韌SiC材料的結(jié)合處截面放大 100倍SEM形貌圖；
[0034] 圖3為實(shí)施例1制備的產(chǎn)品的粘結(jié)劑層與碳纖維增韌SiC材料的結(jié)合處截面放大 500倍SEM形貌圖；
[0035] 圖4為實(shí)施例1制備的產(chǎn)品的粘結(jié)劑層與石英片的結(jié)合處截面放大10000倍SEM 形貌圖；
[0036] 圖5為實(shí)施例1制備的產(chǎn)品的粘結(jié)劑層與石英片的結(jié)合處截面放大20000倍SEM 形貌圖；
[0037] 圖6為實(shí)施例2制備的產(chǎn)品的粘結(jié)劑層與碳纖維增韌SiC材料的結(jié)合處截面放大 500倍SEM形貌圖；
[0038] 圖7為實(shí)施例3制備的產(chǎn)品的粘結(jié)劑層與碳纖維增韌SiC材料的結(jié)合處截面放大 500倍SEM形貌圖；
[0039] 圖8為實(shí)施例4制備的產(chǎn)品的粘結(jié)劑層與碳纖維增韌SiC材料的結(jié)合處截面放大 500倍SEM形貌圖；
[0040] 圖9為實(shí)施例5制備的產(chǎn)品的粘結(jié)劑層與碳纖維增韌SiC材料的結(jié)合處截面放大 500倍SEM形貌圖；
[0041] 其中，1、石英片，2、粘結(jié)劑層，3、碳纖維增韌SiC材料。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以 任何方式限制本發(fā)明。
[0043] 實(shí)施例1
[0044] 一種在碳纖維增韌SiC材料表面上粘結(jié)石英片的方法，所述方法包括如下步驟：
[0045] ①將Ca2SiO4粉末、Na2SiO 3粉末與SiO 2粉末按摩爾比為3 :4 :16混合，加入去離子 水形成漿料，置于球磨罐中，利用滾筒式球磨機(jī)將漿料進(jìn)行球磨，球磨速度為30r/min，球磨 時(shí)間為l〇h