CN103601523B

CN103601523B - 一种陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构及制备方法

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Publication number: CN103601523B
Application number: CN201310556795.XA
Authority: CN
Inventors: 于新民; 张昊; 王涛; 冯超; 刘斌; 孙同臣; 裴雨辰; 赵英民
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: CN103601523A

Abstract

本发明涉及一种陶瓷基复合材料销钉的预制体结构及其制备方法。该针刺预制体结构为长纤维无纬布与短纤维网胎交替铺层的针刺结构；其中长纤维方向与销钉轴向夹角为-5°～5°的无纬布层数是长纤维方向与销钉轴向夹角为85°～95°的无纬布层数的3-9倍。该方法包括首先采用化学气相渗透工艺对针刺预制体结构进行热解碳的沉积，然后采用化学气相渗透工艺进行碳化硅的沉积，最后采用机加工的方式将致密化后的预制体加工成销钉。本发明使低成本的针刺预制体销钉具有现有技术中的高成本预制体（三维四向编织、三维五向编织或三向正交预制体）销钉的剪切强度水平，可用于制备高连接强度的陶瓷基复合材料复杂构件。

Description

一种陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构及制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种陶瓷基复合材料的预制体结构，特别涉及一种用于陶瓷基复合材料连接的陶瓷基复合材料销钉的预制体结构，以及该陶瓷基复合材料销钉的制备方法。

背景技术

陶瓷基复合材料销钉连接技术，是制备陶瓷基复合材料复杂构件的一种重要技术。高抗剪切强度的陶瓷基复合材料销钉是保证高连接强度的关键之一。采用纤维体积分数高的三维四向编织、三维五向编织或三向正交预制体作为销钉预制体，可以有效提高复合材料销钉的抗剪切强度，但这两类预制体的制备难度大、成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种陶瓷基复合材料销钉的预制体结构，进而提供利用该预制体结构制备陶瓷基复合材料销钉的制备方法，使低成本的针刺预制体销钉具有现有技术中的高成本预制体（三维四向编织、三维五向编织或三向正交预制体）销钉的剪切强度水平。

本发明采用的技术方案如下：

一种陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构，为长纤维无纬布与短纤维网胎交替铺层的针刺结构；其中长纤维方向与销钉轴向夹角为-5°～5°的无纬布层数是长纤维方向与销钉轴向夹角为85°～95°的无纬布层数的3-9倍。

进一步地，所述无纬布中的长纤维与所述网胎中的短纤维采用相同或者不同材料。

进一步地，所述无纬布中与销钉轴向夹角为-5°～5°的长纤维和与销钉轴向夹角为85°～95°的长纤维采用相同或者不同材料。

进一步地，上述针刺预制体结构的针刺密度为25～30针/cm²。

进一步地，所述长纤维的长度为整个无纬布的长度（可视为无限长），网胎所用的短纤维的长度为65～70mm。

进一步地，所述无纬布的面密度为160～170g/m²，厚度为0.4～0.55mm；所述网胎的面密度20～30g/m²，厚度为0.1～0.15mm。

一种采用上述针刺预制体结构制备陶瓷基复合材料销钉的方法，其步骤包括：

1）以丙烷为反应气，氮气为稀释气，采用化学气相渗透工艺对权利要求1所述针刺预制体结构进行热解碳的沉积；

2）以三氯甲基硅烷为反应原料，采用化学气相渗透工艺进行碳化硅的沉积；

3）采用机加工的方式将步骤2）制得的致密化后的预制体加工成销钉。

进一步地，步骤1）中丙烷的流量为1.2±0.1l/h，氮气的流量为0.8±0.05l/h，沉积温度为1020±10℃，沉积压力为2±1Kpa，沉积时间为200±20小时。

进一步地，步骤2）采用氢气为载气，以鼓泡的方式将三氯甲基硅烷带入高温反应室，三氯甲基硅烷的用量为150±5g/h；采用氩气为稀释气，流量为1.0±0.1l/h。

进一步地，步骤2）的沉积温度为1050±10℃，沉积压力为2±1Kpa，沉积时间为400±20小时。

本发明的用于制备陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构，提高了平行于销钉轴向的承载长纤维的含量，使制备的成本低的针刺预制体同样可以达到现有的高制备成本预制体的增强效果。利用该预制体结构制备的陶瓷基复合材料销钉，可用于制备高连接强度的陶瓷基复合材料复杂构件。

附图说明

图1是本发明的销钉针刺预制体结构中长纤维方向与销钉横截面的关系示意图。

图2是实施例1中无纬布的两个长纤维方向示意图。

图3为实施例1中制得的陶瓷基复合材料销钉的照片。

图4是实施例2中无纬布的两个长纤维方向示意图。

图5是实施例3中无纬布的两个长纤维方向示意图。

图6是实施例中制备C/C-SiC复合材料销钉的步骤流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本发明的陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构为长纤维无纬布与短纤维网胎交替铺层的针刺结构，其中长纤维方向沿销钉轴向方向的无纬布层数是长纤维方向垂直于销钉轴向的无纬布层数的3-9倍。图1是本发明的销钉针刺预制体结构中长纤维方向与销钉横截面的关系示意图。其中，圆圈表示无纬布中长纤维的方向沿销钉轴向（与销钉轴向夹角为-5°～5°），直线表示无纬布中长纤维的方向沿垂直于销钉轴向的方向（与销钉轴向夹角为85°～95°）。下面通过具体实例进行说明。

实施例1：

本实施例的预制体结构为一层长纤维无纬布与一层短纤维网胎交替铺层的针刺结构；每三层长纤维方向与销钉轴向夹角为-5°的无纬布/网胎铺层后，进行一层长纤维方向与与销钉轴向夹角为85°无纬布/网胎铺层，如图2所示，分别为长纤维方向1和长纤维方向2；针刺预制体中所用的纤维均为T70012K碳纤维。

该预制体结构的其它参数是：针刺密度25针/cm²；网胎所用的短纤维长度为65mm；无纬布面密度160g/m²，厚度0.4mm；网胎面密度20g/m²，厚度0.1mm。

然后，采用上述预制体结构制备C/C-SiC复合材料销钉，具体步骤包括：

1）采用化学气相渗透（CVI）工艺对预制体进行热解碳的沉积：以丙烷为反应气，流量为1.2l/h；氮气为稀释气，流量为0.8l/h；沉积温度1020℃；沉积压力2Kpa；沉积时间200小时。

2）采用化学气相渗透（CVI）工艺进行碳化硅（SiC）的沉积：以三氯甲基硅烷（MTS）为反应原料，氢气为载气，以鼓泡的方式将MTS带入高温反应室，MTS的用量为150g/h,氩气为稀释气，流量为1.0l/h，沉积温度1050℃，沉积压力2Kpa，沉积时间400小时。

3）采用机加的方式将致密化后的预制体加工成直径6mm的销钉。图3为制得的销钉照片。

采用本实施例的预制体结构制备的C/C-SiC复合材料销钉的抗剪切强度为81MPa。

实施例2：

本实施例的预制体结构为一层碳纤维无纬布与一层碳纤维网胎交替铺层的针刺结构；每六层长纤维方向与销钉轴向夹为角0°的T3006K碳纤维无纬布/T70012K碳纤维网胎铺层后，进行一层与长纤维方向销钉轴向夹角为90°的T70012K碳纤维无纬布/T70012K碳纤维网胎铺层。如图4所示，上述两个方向分别为长纤维方向1和长纤维方向2。

上述预制体结构的其它参数是：针刺密度30针/cm²；网胎所用的短纤维长度为70mm；无纬布面密度170g/m²，厚度0.55mm；网胎面密度30g/m²，厚度0.15mm。

1）采用CVI工艺对预制体进行热解碳的沉积，以丙烷为反应气，流量为1.1l/h,氮气为稀释气，流量为0.75l/h，沉积温度1010℃，沉积压力1Kpa，沉积时间180小时。

2）采用CVI工艺进行SiC的沉积，以MTS为反应原料，氢气为载气，以鼓泡的方式将MTS带入高温反应室，MTS的用量为145g/h,氩气为稀释气，流量为0.9l/h，沉积温度1040℃，沉积压力1Kpa，沉积时间380小时。

3）采用机加的方式将致密化后的预制体加工成直径6mm的销钉。

采用本实施例的预制体结构制备的C/C-SiC复合材料销钉的抗剪切强度为96MPa。

实施例3：

本实施例的预制体结构为一层长纤维无纬布与一层短纤维网胎交替铺层的针刺结构；每九层长纤维方向与销钉轴向夹角为5°的无纬布/网胎铺层后，进行一层长纤维方向与销钉轴向夹角为95°无纬布/网胎铺层，如图5所示，上述两个方向分别为长纤维方向1和长纤维方向2。；针刺预制体中所用的纤维均为T70012K碳纤维。

上述预制体结构的其它参数是：针刺密度25针/cm²；网胎所用的短纤维长度为65mm；无纬布面密度160g/m²，厚度0.55mm；网胎面密度25g/m²，厚度0.15mm。

然后，采用上述预制体结构制备C/C-SiC复合材料销钉，具体步骤流程如图6所示，包括：

1）采用CVI工艺对预制体进行热解碳的沉积，以丙烷为反应气，流量为1.3l/h,氮气为稀释气，流量为0.85l/h，沉积温度1030℃，沉积压力3Kpa，沉积时间220小时。

2）采用CVI工艺进行SiC的沉积，以MTS为反应原料，氢气为载气，以鼓泡的方式将MTS带入高温反应室，MTS的用量为155g/h,氩气为稀释气，流量为1.1l/h，沉积温度1060℃，沉积压力3Kpa，沉积时间420小时。

采用本实施例的预制体结构制备的C/C-SiC复合材料销钉的抗剪切强度为105MPa。

表1为本发明的实施例1-3与现有技术中不同方法制得的复合材料销钉的抗剪切强度对比列表。可以看出，采用本发明的针刺预制体结构制成的低成本的陶瓷基复合材料销钉，可以达到现有的高制备成本预制体的增强效果，其中实施例3制备的销钉的抗剪切强度甚至比现有方法制备的销钉还要高。

表1.不同预制体结构C/C-SiC复合材料销钉（直径6mm）的抗剪切强度

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构，其特征在于，是一层长纤维无纬布与一层短纤维网胎交替铺层的针刺结构，所述长纤维无纬布中长纤维方向与销钉轴向夹角为-5°～5°的无纬布层数是长纤维方向与销钉轴向夹角为85°～95°的无纬布层数的3～9倍；在进行三层或者六层或者九层长纤维方向与销钉轴向夹角为-5°～5°的无纬布/网胎铺层后，进行一层长纤维方向与与销钉轴向夹角为85°～95°的无纬布/网胎铺层。

2.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构，其特征在于：所述无纬布中的长纤维与所述网胎中的短纤维采用相同或者不同材料。

3.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构，其特征在于：所述无纬布中与销钉轴向夹角为-5°～5°的长纤维和与销钉轴向夹角为85°～95°的长纤维采用相同或者不同材料。

4.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构，其特征在于：所述针刺结构的针刺密度为25～30针/cm²。

5.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构，其特征在于：所述长纤维的长度为整个无纬布的长度，所述短纤维的长度为65～70mm。

6.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料销钉的针刺预制体结构，其特征在于：所述无纬布的面密度为160～170g/m²，厚度为0.4～0.55mm；所述网胎的面密度20～30g/m²，厚度为0.1～0.15mm。

7.一种采用权利要求1所述针刺预制体结构制备陶瓷基复合材料销钉的方法，其步骤包括：

1)以丙烷为反应气，氮气为稀释气，采用化学气相渗透工艺对权利要求1所述针刺预制体结构进行热解碳的沉积；

2)以三氯甲基硅烷为反应原料，采用化学气相渗透工艺进行碳化硅的沉积；

3)采用机加工的方式将步骤2)制得的致密化后的预制体加工成销钉。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤1)中丙烷的流量为1.2±0.1l/h，氮气的流量为0.8±0.05l/h，沉积温度为1020±10℃，沉积压力为2±1Kpa，沉积时间为200±20小时。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤2)采用氢气为载气，以鼓泡的方式将三氯甲基硅烷带入高温反应室，三氯甲基硅烷的用量为150±5g/h；采用氩气为稀释气，流量为1.0±0.1l/h。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤2)的沉积温度为1050±10℃，沉积压力为2±1Kpa，沉积时间为400±20小时。