一种陶瓷基复合材料螺柱及其制备方法技术

本发明专利技术属于紧固件的制备技术领域，具体公开一种陶瓷基复合材料螺柱及其制备方法。（1）、根据螺柱的设计尺寸加工纤维预制体；（2）、在纤维预制体表面制备界面层，所述界面层为复合界面层或梯度界面层；（3）、浸渍

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料螺柱及其制备方法


[0001]本专利技术属于紧固件的制备
，具体涉及一种陶瓷基复合材料螺柱及其制备方法。

技术介绍

[0002]陶瓷基复合材料连接件用于连接航空航天结构件，可在1650℃左右下长时间使用，短时间使用温度高达2000℃。随着科学技术的发展，应用于航空航天的环境更加复杂、苛刻，对连接件的强度、种类多样性、结构具有更高的要求。
[0003]目前陶瓷基复合材料连接件存在芯部强度不够，连接件种类较少，现有的制备技术多数只能制备小尺寸连接件，制备较大直径或结构复杂的连接件比较困难。
[0004]中国专利技术专利（专利公开号CN 101265935A）公开了一种陶瓷基复合材料螺栓的制备方法，将纤维铺层制备预制体，在预制体上沉积热解炭界面层，在热解炭界面层上采用CVI沉积SiC基体制备半成品陶瓷基复合材料板材，在板材上切割螺栓毛坯并攻螺纹丝，最后对半成品螺栓采用PIP法多次浸渍裂解，继续CVI沉积SiC抗氧化层，获得强度较高的螺栓。该专利技术采用CVI和PIP技术制备陶瓷基复合材料制品，成本有所降低，但该专利技术采用纤维铺层结构，加工时易分层。该专利技术先使用CVI制备SiC基体，工艺难以控制，容易形成闭孔，再使用PIP法浸渍裂解时，浆料不易浸入预制体内部，导致内部空隙多，获得的材料芯部强度低，而且采用CVI技术制备SiC基体，成本较高。
[0005]中国专利技术专利（专利公开号CN 106565261A）公开了一种先驱体浸渍裂解法制备SiC/SiC复合材料销钉的方法，该专利技术弥补纤维铺层结构分层的不足，采用2D编织制备销钉的预制体，通过CVI沉积热解炭界面层，再采用PIP法制备基体，得到SiC/SiC复合材料销钉强度高，韧性好，制备销钉也减少了螺栓加工螺纹工序。该专利技术采用PIP法制备销钉，制备销钉的直径在5mm以下，不能满足标准所需的较大直径连接件的制备。另外，该方法不适用于带螺纹的连接件制备，这也限制了陶瓷基复合材料高温连接件的实用性。
[0006]综上，现有技术所用的预制体层间结合较弱、制备的构件直径范围较小，实用性范围不大。

技术实现思路

[0007]为克服现有技术中CVI技术成本高且容易形成闭孔制备效率低、二维铺层构件容易分层、连接件直径范围小等问题，本专利技术的目的旨在提供一种强度较高、韧性较好、直径范围较大、制备效率高的陶瓷基复合材料螺柱及其制备方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种陶瓷基复合材料螺柱，由纤维预制体、界面层、陶瓷基体组成，所述纤维预制体的密度由内向外逐渐减小；所述界面层为复合界面层或梯度界面层；所述复合界面层为热解炭界面层、氮化硼界面层、碳化硅界面层中的任意两种或三种；所述梯度界面层为硅碳比呈梯度分布的界面层，硅碳比由内而外逐渐增大；所述陶瓷基体为含有纳米纤维的碳化
硅基体。
[0009]较好地，所述纳米纤维为纳米碳纤维、碳纳米管、石墨烯、纳米SiC纤维、纳米Si3N4纤维、纳米ZrC纤维、纳米TiC纤维、纳米TiN纤维中的任一种或多种。
[0010]一种所述陶瓷基复合材料螺柱的制备方法，步骤如下：（1）、制备纤维预制体：将纤维制备成与最终螺柱产品形状一致、尺寸富有余量、具有密度梯度的纤维预制体；所述密度梯度是指纤维预制体的密度由内向外逐渐减小；（2）、制备界面层：对步骤（1）所得纤维预制体，制备界面层，所述界面层为复合界面层或梯度界面层；所述复合界面层为热解炭界面层、氮化硼界面层、碳化硅界面层中的任意两种或三种；所述梯度界面层为硅碳比呈梯度分布的界面层，硅碳比由内而外逐渐增大；（3）、浸渍、固化、低温裂解：重复3~6次浸渍
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固化
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低温裂解过程；所述低温裂解的过程为：将固化所得制品放入烧结炉中，炉内为真空状态或微正压状态，以5~10℃/min的升温速率升温至低温裂解温度850~1300℃，保温2~10h，然后在保护气氛围下自然降温至室温，取出；所述真空状态的真空度为200Pa以下；所述微正压状态是通入保护气体并调节炉内压力为100~200kPa，气体流量为4~10L/min；（4）、浸渍、固化、高温裂解：重复1~3次浸渍
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固化
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高温裂解过程；所述高温裂解的过程同步骤（3）中的低温裂解，只是高温裂解的温度为1300~1500℃；（5）、机械精加工：将步骤（4）所得制品加工成螺柱的设计尺寸；（6）、加工螺纹：将步骤（5）所得制品加工螺纹；（7）、浸渍、固化、高温裂解：将步骤（6）所得制品重复步骤（4）中所述的浸渍
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固化
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高温裂解过程1~2次；（8）、精修螺纹：将步骤（7）所得制品打磨螺纹至最终尺寸精度；（9）、CVI
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SiC致密化：将步骤（8）所得制品进行化学气相浸渗SiC进一步致密化，即得陶瓷基复合材料螺柱。
[0011]较好地，步骤（1）中，所述纤维为碳纤维或碳化硅纤维；所述纤维预制体为纤维以2.5D针刺或2.5D穿刺的成型方式制备而成，所述的纤维预制体针刺密度为20
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40针/cm2，所述的纤维预制体穿刺的密度为15
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30针/cm2。
[0012]较好地，步骤（2）中，热解炭界面层、氮化硼界面层、碳化硅界面层、梯度界面层分别按下述方法制备：热解炭界面层采用等温CVI制备：沉积温度为800~1300℃，以5~15L/min的流量通入碳源气体，并调节炉内压力为0.5~20kPa，保温1~60h；所述碳源气体选自甲烷、丙烷、丙烯中的任一种或多种；氮化硼界面层是通过氮源前驱体和硼源前驱体在氢气氛围下采用等温CVI技术制备：沉积温度为600~1100℃，炉内压力为10~25kPa，氮源和硼源先驱体气体的总流量为200~1000sccm，氮源与硼源流量比为10~20∶1，氢气与氮源的流量比为50~100∶1，保温1~30h；所述的氮源前驱体为NH3、B3N3H6或Cl3B3N3H3中的一种，所述的硼源前驱体为BH3、BCl3、BF3、B2H6、B4H
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、B3N3H6或Cl3B3N3H3中的一种；碳化硅界面层采用等温CVI技术制备：以氢气为载气，以氩气为稀释气体，以氢气为还原气体，在真空度为200Pa以下，通入硅源、载气、稀释气体和还原气体并调节炉内压力为5~20kPa，沉积温度为1000~1500℃，保温时间为1~25h；其中，还原气体与硅源的摩尔比为
8~20∶1，硅源的流量为1~15g/min，稀释气体的流量为2~20L/min，还原气体的流量由还原气体与硅源的摩尔比来确定，载气的流量为100~200mL/min；所述硅源为甲基三氯硅烷；梯度界面层采用等温CVI技术制备，具体过程为方法（i）或方法（ii）：方法（i）：以氢气为载气，以氩气为稀释气体，以氢气为还原气体，在真空度为200Pa以下，通入硅源、载气、稀释气体和还原气体并调节炉内压力为0.5~20kPa，沉积温度先升至1150~1500℃，保温1~本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料螺柱，其特征在于：由纤维预制体、界面层、陶瓷基体组成，所述纤维预制体的密度由内向外逐渐减小；所述界面层为复合界面层或梯度界面层；所述复合界面层为热解炭界面层、氮化硼界面层、碳化硅界面层中的任意两种或三种；所述梯度界面层为硅碳比呈梯度分布的界面层，硅碳比由内而外逐渐增大；所述陶瓷基体为含有纳米纤维的碳化硅基体。2.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料螺柱，其特征在于：所述纳米纤维为纳米碳纤维、碳纳米管、石墨烯、纳米SiC纤维、纳米Si3N4纤维、纳米ZrC纤维、纳米TiC纤维、纳米TiN纤维中的任一种或多种。3.一种如权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料螺柱的制备方法，其特征在于，步骤如下：（1）、制备纤维预制体：将纤维制备成与最终螺柱产品形状一致、尺寸富有余量、具有密度梯度的纤维预制体；所述密度梯度是指纤维预制体的密度由内向外逐渐减小；（2）、制备界面层：对步骤（1）所得纤维预制体，制备界面层，所述界面层为复合界面层或梯度界面层；所述复合界面层为热解炭界面层、氮化硼界面层、碳化硅界面层中的任意两种或三种；所述梯度界面层为硅碳比呈梯度分布的界面层，硅碳比由内而外逐渐增大；（3）、浸渍、固化、低温裂解：重复3~6次浸渍
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固化
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低温裂解过程；所述低温裂解的过程为：将固化所得制品放入烧结炉中，炉内为真空状态或微正压状态，以5~10℃/min的升温速率升温至低温裂解温度850~1300℃，保温2~10h，然后在保护气氛围下自然降温至室温，取出；所述真空状态的真空度为200Pa以下；所述微正压状态是通入保护气体并调节炉内压力为100~200kPa，气体流量为4~10L/min；（4）、浸渍、固化、高温裂解：重复1~3次浸渍
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固化
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高温裂解过程；所述高温裂解的过程同步骤（3）中的低温裂解，只是高温裂解的温度为1300~1500℃；（5）、机械精加工：将步骤（4）所得制品加工成螺柱的设计尺寸；（6）、加工螺纹：将步骤（5）所得制品加工螺纹；（7）、浸渍、固化、高温裂解：将步骤（6）所得制品重复步骤（4）中所述的浸渍
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固化
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高温裂解过程1~2次；（8）、精修螺纹：将步骤（7）所得制品打磨螺纹至最终尺寸精度；（9）、CVI
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SiC致密化：将步骤（8）所得制品进行化学气相浸渗SiC进一步致密化，即得陶瓷基复合材料螺柱。4.如权利要求3所述的陶瓷基复合材料螺柱的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述纤维为碳纤维或碳化硅纤维；所述纤维预制体为纤维以2.5D针刺或2.5D穿刺的成型方式制备而成，所述的纤维预制体针刺密度为20
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40针/cm2，所述的纤维预制体穿刺的密度为15
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30针/cm2。5.如权利要求3所述的陶瓷基复合材料螺柱的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，热解炭界面层、氮化硼界面层、碳化硅界面层、梯度界面层分别按下述方法制备：热解炭界面层采用等温CVI制备：沉积温度为800~1300℃，以5~15L/min的流量通入碳源气体，并调节炉内压力为0.5~20kPa，保温1~60h；所述碳源气体选自甲烷、丙烷、丙烯中的任一种或多种；氮化硼界面层是通过氮源前驱体和硼源前驱体在氢气氛围下采用等温CVI技术制备：
沉积温度为600~1100℃，炉内压力为10~25kPa，氮源和硼源先驱体气体的总流量为200~1000sccm，氮源与硼源流量比为10~20∶1，氢气与氮源的流量比为50~100∶1，保温1~30h；所述的氮源前驱体为NH3、B3N3H6或Cl3B3N3H3中的一种，所述的硼源前驱体为BH3、BCl3、BF3、B2H6、B4H
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【专利技术属性】
技术研发人员：张东生，吴恒，曹伟，魏庆勃，姚栋嘉，刘喜宗，潘广镇，
申请(专利权)人：巩义市泛锐熠辉复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：