碳纤维增强碳基-陶瓷基复合材料连接件的制备工艺

摘要

本发明公开了一种碳纤维增强碳基-陶瓷基复合材料连接件的制备工艺，该工艺中预制体结构采用2D针刺结构，通过优化结构设计及加工方案，并利用快速化学气相渗(HCVI)结合传统等温CVI复合工艺共同完成制备工作。采用该工艺制备的C/C-SiC、C/SiC连接件强度提高，且总的制备周期为300～500小时，相比单纯依靠传统CVI工艺800～1200小时，其制备周期缩短了约50％，且成品率达到95％以上，大大降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维增强碳基-陶瓷基复合材料的制备和加工领域，具体涉及 一种碳纤维增强碳基-陶瓷基复合材料连接件的制备工艺，该工艺主要用于制备 螺栓、螺母和销钉等连接紧固件。

背景技术

随着航天航空技术的发展以及未来飞行器的发展需求，轻质、高强碳纤维增 强的高温结构复合材料日益成为支撑高超声速飞行器与发动机发展的主要关键 结构材料。其中，碳纤维增强的碳基-陶瓷基复合材料，主要包括C/C-SiC、C/SiC 等，是目前性能最为优良的一类轻质高温结构复合材料，各国均将其列为优先发 展目标。该类复合材料具有密度低、比强度大、热膨胀小、耐烧蚀等特点，并具 有突出的高温性能，在1650℃甚至以上仍能保持高强度，目前已作为高温热防 护材料广泛应用于航天航空等多个领域。但由于碳纤维增强的碳基-陶瓷基复合 材料实现大型、精密、复杂构件十分困难，且在某些特殊领域需采用小尺寸构件 以解决热相应问题，因此研究开发可靠的连接技术，对该类复合材料的应用有着 至关重要的意义。

C/C-SiC、C/SiC复合材料的连接方法大体可以分为3类：粘接、焊接和机 械连接。粘接具有操作简单、实施性强，但高温下易开裂等缺点；焊接其优点是 连接性能可靠，但工艺一般较复杂；而螺栓连接具有简单可靠且可重复拆卸的优 点，是一种应用较广的机械连接方式。C/C-SiC、C/SiC复合材料的螺栓连接既 克服了金属螺栓使用温度低或者密度大、陶瓷螺栓承载力差等问题，又克服了 C/C复合材料螺栓不抗氧化的问题，是未来航天航空领域将重点发展的一种连接 方式。尽管如此，由于C/C-SiC、C/SiC复合材料螺栓的制备周期长、成本高、 成品率低，从而大大限制了其应用范围。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种碳纤维增强 碳基-陶瓷基复合材料连接件的制备工艺，该工艺制备的碳纤维增强陶瓷基复合 材料强度大，制备成本大大降低，制备周期控制在500h以内，成品率达到95％ 以上。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种碳纤维增强碳基-陶瓷基复合材料连接件的制备工艺，包括如下步骤：

(1)碳纤维预制体的选择：

预制体选用2D针刺结构，采用一层T70012K(或3K、6K)PANCF无纬 布与一层T70012KPANCF网胎交替铺层，无纬布为0°/90°铺层，1.X+1.Y方式 连续针刺而成，体积密度在0.4～0.65g/cm³之间，针刺密度在30～50针/cm²，层 间密度14-20层/cm；碳纤维预制体的尺寸根据所需要制备的连接件设定。

(2)在碳纤维预制体上沉积碳或碳化硅基体制得毛坏材料：

将碳纤维预制体置于带有水冷壁的HCVI设备内，通过快速化学气相渗工艺 (HCVI)进行沉积，沉积温度为900～1250℃；沉积碳基体时，采用Ar或N₂作 为稀释气体，稀释气体流量为0.3～1.4m³/h；碳氢气体为反应气体，反应气体流 量为0.5～1.4m³/h，沉积时间控制在35小时以内，制备出来的毛坯材料密度为 1.4～1.6g/cm³，满足加工要求；沉积SiC基体时，采用Ar或N₂为稀释气体，稀 释气体流量为0.1～0.4m³/h；以H₂为载体的三氯甲基硅烷(MTS)为反应气体，H₂流量在0.05～0.2m³/h，MTS流量控制在40～100g/h，沉积时间控制在50小时以内， 制备出来的毛坯材料密度为1.6～1.8g/cm³，满足加工要求。

(3)机械加工：

将制备好的毛坯材料加工成若干连接件拼接的形状，即毛坏件Ⅰ，超声清洗 后烘干，烘干温度130～180℃，加工方式为车削、铣削、磨削或数控加工。

(4)等温CVI工艺沉积SiC基体：

将步骤(3)加工的毛坯件Ⅰ放入等温CVI沉积炉中进行SiC沉积致密化， 沉积温度为1000～1150℃；原料气体中Ar或者N₂为稀释气体，稀释气体流量 0.05～0.3m³/h，以H₂为载体的三氯甲基硅烷(MTS)为反应气体，H₂流量在 0.01～0.1m³/h，MTS流量控制在10～60g/h；沉积反应时间控制在200小时以内， 使毛坯件Ⅰ的密度增加到1.6～1.8g/cm³。

(5)机械加工：

将经步骤(4)处理后的毛坯件Ⅰ加工分割为苦干独立的连接件形状，即若 干毛坯件Ⅱ，超声清洗后烘干，烘干温度130～180℃，加工方式为车削、铣削、 磨削或数控加工。

(6)等温CVI工艺沉积SiC基体：

将步骤(3)加工的毛坯件Ⅱ放入等温CVI沉积炉中继续进行SiC沉积致密 化，沉积温度1000～1300℃；原料气体中Ar或者N₂为稀释气体，稀释气体流量 0.05～0.5m³/h，以H₂为载体的三氯甲基硅烷(MTS)为原料气体，H₂流量在 0.01～0.1m³/h，MTS流量控制在10～60g/h；沉积反应时间控制在200小时以内， 使毛坯件Ⅱ的密度增加到1.7～1.9g/cm³。

(7)成型加工：

将经步骤(6)处理后的毛坯件Ⅱ精加工为成品连接件，超声清洗后烘干， 烘干温度为130～180℃；加工方式可以为磨削，也可以采用数控加工。

上述步骤(2)中所述带有水冷壁的HCVI设备其外壳体上设有水冷壁，壳 体内腔的预制体通过其两侧设置的石墨电极直接进行加热，外壳体上还设有进气 口和排气口，分别用于原料气体进入壳体内以及气体的排出，水冷壁上设置进水 口和出水口。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明制备的碳纤维增强碳基-陶瓷基复合材料连接件的预制体结构采用 2D针刺结构，通过优化结构设计及加工方案，并利用快速化学气相渗(HCVI) 结合传统等温CVI工艺共同完成制备工作。

2、本发明通过HCVI工艺在碳纤维预制体上沉积碳或碳化硅基体时，将碳 纤维预制体置于带有水冷壁的HCVI设备中，利用碳纤维增强骨架的自身电阻， 在电流的直接作用下发热，由于水冷壁的作用，预制体内外呈一定温度梯度分布， 因此通入的反应气体优先在预制体内部着床沉积，并逐渐向外拓展，最终达到整 体材料致密化。

3、本发明工艺制备C/C-SiC、C/SiC连接件总的制备周期为300～500小时， 相比单纯依靠传统CVI工艺800～1200小时，其制备周期缩短了约50％，且成品 率达到95％以上，大大降低生产成本，所制备的连接件强度达到70MPa以上， 该方法可用于制备螺栓、螺母或销钉等连接紧固件。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

图2为快速化学气相渗HCVI工艺所用设备结构示意图。

图3为螺栓毛坏件Ⅰ形状。

图4为传统等温CVI工艺所用设备结构示意图。

图5为螺栓毛坯件Ⅱ形状。

图6为螺栓成品形状。

图7为实施例1成品螺栓照片。

图8为实施例2成品螺栓照片。

图中：1-进气口；2-排气口；3-进水口；4-出水口；5-发热体；6-称料桶；7- 水冷壁；8-预制体；9-石墨电极。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

本发明制备的碳纤维增强碳基-陶瓷基复合材料连接件的预制体结构采用 2D针刺结构，通过优化结构设计及加工方案，并利用快速化学气相渗(HCVI) 结合传统等温CVI复合工艺共同完成制备工作，其工艺流程如图1。

其中，所述快速化学气相渗(HCVI)采用带有水冷壁的HCVI设备，如图 2所示，该设备的外壳体上设有水冷壁7，壳体内腔的预制体8通过其两侧设置 的石墨电极9直接进行加热，外壳体上还设有进气口1和排气口2，分别用于原 料气体进入壳体内以及气体的排出，水冷壁7上设置进水口3和出水口4；该设 备的壳体内腔直接作为沉积腔室，由于石墨电极9和水冷壁7的直接作用，预制 体8内外呈温度梯度分布。

实施例1

本实施例为碳纤维增强碳基-陶瓷基复合材料螺栓的制备，步骤如下：

(1)碳纤维预制体的选择：

预制体选用2D针刺结构，采用一层T70012KPANCF无纬布与一层T700 12KPANCF网胎交替铺层，无纬布为0°/90°铺层，1.X+1.Y方式连续针刺而成， 体积密度在0.4～0.65g/cm³之间，针刺密度在30～50针/cm²，层间密度14-20层/cm； 碳纤维预制体的尺寸根据所制备的螺栓设定。

(2)在碳纤维预制体上沉积碳基体制得毛坏材料：

将碳纤维预制体置于图2所示带有水冷壁的HCVI设备中，通过HCVI工艺 进行沉积，沉积温度为1050℃；采用Ar或N₂作为稀释气体，稀释气体流量为 1.0m³/h；碳氢气体为反应气体，反应气体流量为1.2m³/h，沉积时间控制在30 小时以内，制备出来的毛坯材料密度为1.5g/cm³，满足加工要求；

(3)机械加工：

将制备好的毛坯材料粗加工成多个螺栓相拼接的形状(先不加工螺纹结构)， 即毛坏件Ⅰ(图3)，然后超声清洗、烘干(温度在150℃)。加工方式可以为车 削、铣削、磨削，也可以采用数控加工。

(4)等温CVI工艺沉积SiC基体

将加工成图3所示形状的毛坯件Ⅰ放入常规等温CVI沉积炉(图4)中进行 SiC沉积致密化。该过程沉积温度在1100℃，原料气体为以Ar或者N₂为稀释气 体，流量在0.1m³/h；以H₂为载体的三氯甲基硅烷(MTS)为反应气体，H₂流量 在0.05m³/h，MTS流量控制在40g/h；反应时间控制在150小时以内，使毛坯件 Ⅰ的密度增加到1.6～1.8g/cm³。

(5)机械加工

将等温CVI工艺处理后的毛坯件Ⅰ加工分割为苦干独立的螺栓形状(不加 工螺纹)，得到多个毛坯件Ⅱ(图5)，然后超声清洗、烘干(温度在150℃)。加 工方式可以为车削、铣削、磨削，也可以采用数控加工。

(6)等温CVI工艺沉积SiC基体

将毛坯件Ⅱ放入常规等温CVI沉积炉(图4)中继续进行SiC沉积致密化。 该过程沉积温度在1200℃，以Ar或者N₂为稀释气体，流量在0.25m³/h；以H₂为载体的三氯甲基硅烷(MTS)为原料气体，H₂流量在0.05m³/h，MTS流量控制 在50g/h，反应时间控制在150小时以内，使毛坯件Ⅱ的密度增加到1.7～1.9g/cm³。

(7)成型加工

将等温CVI工艺处理后的毛坯件Ⅱ加工出螺纹，即为成品螺栓，其示意图 如图6，然后超声清洗、烘干(温度在150℃)。加工方式可以为磨削，也可以采 用数控加工。成品实物图为图7。

本实施例制备的C/C-SiC螺栓总的制备周期为330小时，成品率达到99％， 大大降低生产成本，所制备的螺栓其剪切强度75MPa，拉伸强度72MPa。

实施例2

本实施例为碳纤维增强碳基-陶瓷基复合材料螺栓的制备，步骤如下：

(1)碳纤维预制体的选择：

预制体选用2D针刺结构，采用一层T70012KPANCF无纬布与一层T700 12KPANCF网胎交替铺层，无纬布为0°/90°铺层，1.X+1.Y方式连续针刺而成， 体积密度在0.4～0.65g/cm³之间，针刺密度在30～50针/cm²，层间密度14-20层/cm； 碳纤维预制体的尺寸根据所制备的螺栓设定。

(2)在碳纤维预制体上沉积碳化硅基体制得毛坏材料：

将碳纤维预制体置于图2所示带有水冷壁的HCVI设备中，通过HCVI工艺 进行沉积，沉积温度为950℃；采用Ar或N₂为稀释气体，稀释气体流量为0.2m³/h； 以H₂为载体的三氯甲基硅烷(MTS)为反应气体，H₂流量在0.1m³/h，MTS流量 控制在80g/h，沉积时间控制在40小时，制备出来的毛坯材料密度为 1.6～1.8g/cm³，满足加工要求。

(3)机械加工：

将制备好的毛坯材料粗加工成多个螺栓相拼接的形状(先不加工螺纹结构)， 即毛坏件Ⅰ(图3)，然后超声清洗、烘干(温度在150℃)。加工方式可以为车 削、铣削、磨削，也可以采用数控加工。

(4)等温CVI工艺沉积SiC基体

将加工成图3所示形状的毛坯件Ⅰ放入常规等温CVI沉积炉(图4)中进行 SiC沉积致密化。该过程沉积温度在1000℃，原料气体为以Ar或者N₂为稀释气 体，流量在0.05m³/h；以H₂为载体的三氯甲基硅烷(MTS)为反应气体，H₂流量 在0.08m³/h，MTS流量控制在50g/h；反应时间控制在160小时，使毛坯件Ⅰ的 密度增加到1.6～1.8g/cm³。

(5)机械加工

将等温CVI工艺处理后的毛坯件Ⅰ加工分割为苦干独立的螺栓形状(不加 工螺纹)，得到多个毛坯件Ⅱ(图5)，然后超声清洗、烘干(温度在150℃)。加 工方式可以为车削、铣削、磨削，也可以采用数控加工。

(6)等温CVI工艺沉积SiC基体

将毛坯件Ⅱ放入常规等温CVI沉积炉(图4)中继续进行SiC沉积致密化。 该过程沉积温度在1250℃，以Ar或者N₂为稀释气体，流量在0.35m³/h；以H₂为载体的三氯甲基硅烷(MTS)为原料气体，H₂流量在0.06m³/h，MTS流量控制 在30g/h，反应时间控制在160小时，使毛坯件Ⅱ的密度增加到1.7～1.9g/cm³。

(7)成型加工

将等温CVI工艺处理后的毛坯件Ⅱ加工出螺纹，即为成品螺栓，其示意图 如图6，然后超声清洗、烘干(温度在150℃)。加工方式可以为磨削，也可以采 用数控加工。成品实物图为图8。

本实施例制备的C/SiC螺栓总的制备周期为370小时，成品率达到99％，大 大降低生产成本，所制备的螺栓其剪切强度70MPa，拉伸强度75MPa。