一种陶瓷基复合材料连接紧固件及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种陶瓷基复合材料连接紧固件及其制备方法，陶瓷基复合材料连接紧固件包括固定部和连接部；所述固定部的上端与所述连接部的下端连接；所述固定部包括自外而内依次设置的固定部腔体

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料连接紧固件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及陶瓷基复合材料
，具体涉及一种陶瓷基复合材料连接紧固件及其制备方法
。

技术介绍

[0002]碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料
(C
f
/SiC)
具有高强度
、
低密度以及优良的耐热性能，是一种潜力巨大的复合材料，与同类金属基材料相比较，其重量轻
、
强度高
、
抗热冲击性强，短时烧蚀温度
≤1700℃
，能够服役于极端环境，因此
C
f
/SiC
陶瓷基复合材料作为连接件，如螺钉，被广泛应用于航空航天领域，尤其是用于飞行器热防护结构部件的刚性连接
。
[0003]但传统的
C
f
/SiC
陶瓷基复合材料连接件存在以下问题：
[0004](1)
当使用温度发生极大的变化时，会因为热膨胀各向异性不同
、
应力分布不均而在结构件连接处发生断裂，特别是螺丝头与螺杆处会因为外力作用和自身产生热应力而断裂，造成连接件的损坏；
[0005](2)
当使用温度短时超过
1200℃
，长时处于
800
‑
1000℃
左右时，由于
SiC
氧化形成的
SiO2保护层不够致密，此时材料的抗氧化效果极差，碳纤维很容易氧化变脆，当防热部件面临长时间振动时，螺钉很容易发生脆断，造成连接机构损坏；
[0006]因此，如何实现碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料连接件在宽温域服役条件下长时间使用，成为本领域亟需解决的问题
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，提供了一种陶瓷基复合材料连接紧固件以及其制备方法，解决了陶瓷基复合材料连接紧固件在温度发生极大变化时出现断裂损坏问题以及解决了温度长时间处于
800
～
1000℃
时陶瓷基复合材料连接紧固件容易氧化变脆易损坏的问题，从而实现碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料连接紧固件在宽温域服役条件下长时间使用
。
[0008]根据本专利技术的一个方面，提供了一种陶瓷基复合材料连接紧固件，包括固定部和连接部；所述固定部的上端与所述连接部的下端连接；所述固定部包括自外而内依次设置的固定部腔体
、
固定部连接层和固定部基体；所述陶瓷基符合材料连接件在
800℃
下氧化
2.5
小时，拉拔断裂载荷
≥4650N
；所述陶瓷基符合材料在
1600℃
烧灼不发生疲劳断裂的时间
≥100
小时；热膨胀系数
≤
‑
0.8
×
10
‑6/℃。
[0009]所述陶瓷基复合材料连接紧固件可以为陶瓷基复合材料螺钉，所述固定部为陶瓷基复合材料螺钉的端部，所述连接部为陶瓷基复合材料螺钉的螺杆部
。
[0010]本专利技术相对于现有技术的有益效果在于，通过所述固定部一端与连接部连接；所述固定部位于被连接部件的外部，所述连接件位于连接部件的内部；实现对连接部件的固定；
[0011]通过固定部包括固定部腔体，实现固定部腔体对外部环境的温度的热冲击性能，且能够实现对外部温度短时间达到
1700℃
时陶瓷基复合材料连接件表层不损坏；通过固定
部包括固定部连接层
、
固定部基体，实现固定部连接层将固定部腔体与固定部基体连接强度高，避免在使用过程中固定部腔体与固定部基体脱离；且通过固定部基体避免在温度发生极大变化时出现断裂损坏问题，以及避免了温度长时间处于
800
～
1000℃
时陶瓷基复合材料连接件容易氧化变脆易损坏的问题，从而实现碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料连接紧固件在宽温域服役条件下长时间使用；
[0012]通过所述连接部包括连接部基体，避免在温度发生极大变化时出现断裂损坏问题，同时避免了温度长时间处于
800
～
1000℃
时陶瓷基复合材料连接紧固件容易氧化变脆易损坏的问题，同时避免了在使用过程中连接部基体与连接部件出现相对位移的问题，从而避免了陶瓷基复合材料连接紧固件与连接部件在使用过程中连接强度降低的问题
。
[0013]进一步的，所述固定部腔体包括碳纤维；所述固定部连接层包括硅
‑
碳结合物；所述固定部基体和连接部包括磷酸锆钙；或者，所述固定部基体和连接部包括磷酸锆钙和碳化硅晶须材质；优选的所述固定部基体与连接部基体内部含有腔体
。
[0014]采用上一步技术方案的有益效果在于，通过固定部腔体包括碳纤维实现固定部腔体对外部环境的温度的热冲击性能，且能够实现对外部温度短时间达到
1700℃
时陶瓷基复合材料连接紧固件表层不损坏；通过所述固定部基体包括磷酸锆钙，实现固定部基体内部晶体结构由
[ZrO6]八面体和
[PO4]四面体顶角沿
c
轴方向链接，相接形成稳定的三维骨架，骨架中的一部分空隙由钙离子填充；同时具有比较高的热膨胀各向异性，而固定部基体内部结构与热膨胀各向异性共有利于实现具有低热膨胀
、
乃至热膨胀系数
≤
‑
0.8
×
10
‑6/℃
；一方面，将上述材料优点相互结合，表面的
C
f
/SiC
复合材料能够阻止热量向内部传递，防止
CZP
陶瓷基体瞬时温差过大断裂失效，另一方面，内部掺杂碳化硅晶须的
CZP
陶瓷基体能够提供一定的力学支撑，防止表面
C
f
/SiC
陶瓷氧化造成断裂，由外至内，各层材料功能作用不同，集优点于一身，大大提高复合材料连接紧固件的使用寿命；
[0015]从而实现固定部基体避免在温度发生极大变化时出现断裂损坏问题以及避免了温度长时间处于
800
～
1000℃
时陶瓷基复合材料连接件容易氧化变脆易损坏的问题，从而实现碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料连接紧固件在宽温域服役条件下长时间使用；优选的，通过所述固定部基体包括磷酸锆钙和碳化硅晶须，即通过碳化硅晶须引入实现所述固定部基体中碳酸锆钙晶粒小且分布均匀，同时有利于提高固定部基体强度，以及由于碳化硅晶须提高固定部基体与固定部连接层连接的强度；
[0016]通过所述固定部连接层包括硅
‑
碳结合物实现所述固定部腔体与固定部基体连接强度高；
[0017]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种陶瓷基复合材料连接紧固件制备方法，包括以下步骤：
[0018]制备固定部腔体预制体；
[0019]将所述固定部腔体预本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种陶瓷基复合材料连接紧固件，其特征在于，包括固定部和连接部；所述固定部的上端与所述连接部的下端连接；所述固定部包括自外而内依次设置的固定部腔体
、
固定部连接层和固定部基体
。2.
根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料连接紧固件，其特征在于，所述固定部腔体包括碳纤维；所述固定部连接层包括硅
‑
碳结合物；所述固定部基体和连接部包括磷酸锆钙；或者，所述固定部基体和连接部包括磷酸锆钙和碳化硅晶须材质
。3.
一种陶瓷基复合材料连接紧固件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备固定部腔体预制体；将所述固定部腔体预制体内表面涂覆或浸渍第一物料，所述第一物料包括硅溶胶或硅橡胶；准备第一模具，所述第一模具包括下内壁与固定部腔体预制体外表面相匹配的第一腔体和上内壁与连接部外表面相匹配的第二腔体；将涂覆或浸渍第一物料后的固定部腔体预制体放入第一模具的第一腔体中并密封第一腔体底部，将第二物料加入第一腔体和第二腔体中，得到陶瓷基复合材料连接件半成品；其中，所述第二物料包括磷酸锆钙或者第二物料包括磷酸锆钙和碳化硅晶须；将陶瓷基复合材料连接件半成品进行烧结，得到所述陶瓷基复合材料连接件；所述固定部腔体预制体以及腔体内部的第一物料
、
第二物料经烧结得到所述固定部；所述位于固定部腔体预制体的腔体外部的第二物料经烧结得到所述连接部
。4.
根据权利要求3所述的陶瓷基复合材料连接紧固件的制备方法，其特征在于，所述固定部腔体预制体的制备方法，包括以下步骤：将碳纤维布浸渍聚碳硅烷溶液；将浸渍后的碳纤维布通过第二模具制备固定部腔体预制体坯体；将所述固定部腔体预制体坯体在负压环境下干燥固化成型
、
裂解，得到所述固定部腔体预制体
。5.
根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料连接紧固件的制备法，其特征在于，所述第二模具包括第二芯模
、
第二模壳；第二芯模设有与固定部形状相同的芯模
A
部；所述第二芯模位于第二模壳内部，所述第二芯模与第二模壳之间形成的空腔形状与固定部腔体预制体形状相适应；浸渍后的碳纤维布通过第二模具制备固定部腔体预制体坯体具体步骤如下：将若干层浸渍后的碳纤维布缠绕在第二芯模的芯模
A
部表面，然后将第二模壳套设在第二芯模外部并压紧
。6.
根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料连接紧固件的制备方法，其特征在于，所述固定部腔体预制体坯体在负压环境下干燥固化成型时，干燥温度为
90
‑
120℃
，固化时间为
3.5
‑
4.5
小时；所述固定部腔体预制体坯体干燥固化成型后进行裂解时，裂解温度为
1000
‑
1200℃
，裂解时间为
0.8
‑
1.2
小时；和
/
或
所述聚碳硅烷溶液包括聚碳硅烷
、
二甲苯或正己烷或二乙烯基苯；所述聚碳硅烷为固体；所述聚碳硅烷与二甲苯或正己烷或二乙烯基苯的质量比为1：
(1

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞祥，姜凯，田方，周长灵，杨芳红，刘芸，康淋淞，
申请(专利权)人：山东工业陶瓷研究设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：