專利名稱：提高炭/炭復合材料—鋰鋁硅陶瓷接頭連接性能的方法
技術領域：
本發明涉及一種提高炭/炭復合材料一鋰鋁硅陶瓷接頭連接性能的方法，在炭/炭(C/C)復合材料與鋰鋁硅(LAS)陶瓷之間設計梯度連接層，以提高接頭連接性能的方法。
背景技術：
LAS陶瓷由于具有獨特的高溫隱身性能，作為航空熱結構隱身構件使用具有極大的應用潛力，但由于其固有的脆性，在實際應用中極易斷裂。C/C復合材料具有高比強度，高溫力學性能優良等特點，是理想的高溫熱結構材料。若采用穩定可靠的連接技術，以碳化硅陶瓷-鎂鋁硅玻璃陶瓷(SiC-MAS)作為復合中間層，將C/C復合材料和LAS進行熱壓連接，進而得到C/C - LAS功能復合材料，既能充分利用LAS陶瓷的隱身功能性，又可發揮C/C復合材料優異的高溫承載能力，這種連接件有望在航空熱結構隱身構件中獲得應用。但是C/C復合材料和LAS陶瓷之間潤濕性差、熱膨脹系數不匹配等問題導致其連接強度較低。在文獻 I “The preparation and mechanical properties of carbon-carbon/Iithium-aluminum—silicate composite joints.Ke-zhi Li，Jie Wang,Xiao—binRen，He-jun Li, Wei Li，Zhao-qian L1.Materials and Design，44 (2013) 346-353” 文中通過SiC對C/C復合材料表面進行改性，以MAS作為連接層釆用熱壓法制備C/C復合材料和LAS陶瓷接頭。SiC-MAS復合中間層的應用有效改善了 C/C復合材料和LAS陶瓷的潤濕性問題。但是熱膨脹不匹配問題仍沒有得到有效解決。文獻2 “Joining of SiC ceramic to N1-based superalloy withfunctionally gradient material fillers and a tungsten intermediate layer.Shujie Li，Ying Zhou, Huiping Duan，Jianhui Qiuj Yan Zhang.Journal of MaterialsScience, 38(2003)4065 - 4070.”中用TiC-Ni釬料連接SiC陶瓷和Ni基高溫合金時，通過加入W薄片改善接頭中熱應力分布狀態，降低接近焊縫的陶瓷中的殘余熱應力，加入W中間層后接頭強度比未加時提高了 25%。但是通過加入延展性良好的金屬中間層又會引入潤濕性差的問題，因此通過該方法緩解熱應力并不適合C/C復合材料和LAS陶瓷的連接。
發明內容
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種提高炭/炭復合材料一鋰鋁硅陶瓷接頭連接性能的方法，通過將連接層設計為梯度成分，緩解界面處熱應力，以實現接頭連接性能提高的方法。技術方案一種提高炭/炭復合材料一鋰鋁硅陶瓷接頭連接性能的方法，其特征在于步驟如下:步驟1:稱取質量分數60 80%的Si，15 25%的C和5 15%的Al2O3粉料混合，置于聚四氟乙烯球磨罐中，混合后球磨2 4h并烘干，將制備的粉料裝入石墨坩堝；將C/C復合材料打磨拋光后清洗并烘干，包埋于粉料中，將石墨坩堝放入石墨為發熱體的熱壓真空反應爐中，以氬氣作為保護氣體，以5 10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1800 2100°C，保溫I 3h ;隨后關閉電源自然冷卻至室溫，得到帶有SiC過渡層的C/C復合材料；步驟2:稱取質量百分比為10 20%的MgO粉，20 30%的Al2O3粉，45 55%的SiO2粉，I 5%的BaO粉，I 5%的B2O3粉，I 5%Ti02，的粉和I 5%的SbO3粉，混合球磨2 4h后,裝入氧化招坩堝中置于1550 1650°C氧化爐中保溫2 3h,取出后水淬,得到MAS玻璃塊，以去離子水為介質濕法球磨8 10h，烘干后過篩得到MAS粉料備用；步驟3:稱取質量百分比為10 20%的LiCO3粉，10 20%的Al2O3粉，60 80%的SiO2粉，混合球磨2 4h后，裝入氧化鋁坩堝中置于1550 1650°C氧化爐中保溫2 3h，取出水淬，得到LAS玻璃塊，以去離子水為介質濕法球磨8 10h，烘干后過篩得到LAS粉料備用；步驟4:取質量百分比為30 70%的MAS粉料和70 30%的LAS粉料，混合均勻后得到備用；步驟5:以每份MAS粉料2g和酒精2ml置于燒杯中混合形成MAS料漿，將此料漿涂刷于步驟I得到的帶有SiC過渡層的C/C復合材料表面上，置于80°C烘箱中烘干；步驟6:以每份連接層粉料2g用酒精分散后傾倒于驟5得到的C/C復合材料表面，并使之分散均勻，烘干后置于熱壓磨具中；步驟7:以LAS粉料倒入熱壓模具，平鋪均勻，并將模具置于真空熱壓爐中；步驟8:以5 15°C/min升溫速度將爐溫從室溫升至1100 1300°C后，保溫10 30min并加載20 25MPa壓力，卸壓`后關閉電源自然冷卻至室溫，得到提高了的炭/炭復合材料一鋰鋁硅陶瓷接頭。所述MAS粉料為300目。所述LAS粉料為300目。有益效果本發明提出的一種提高炭/炭復合材料一鋰鋁硅陶瓷接頭連接性能的方法，將中間連接層設計為梯度成分結構，緩解了 C/C復合材料與LAS基體的熱膨脹不匹配問題，從而提高了接頭的界面結合力。通過真空熱壓燒結工藝制備的梯度連接層C/C-LAS接頭，相對于未設計梯度結構的接頭，平均剪切強度由15.8MPa提高到24.0MPa，增幅達到51%。本發明的有益效果:提高C/C-LAS連接接頭的抗剪切性能，緩解界面處由于熱膨脹系數不匹配產生的熱應力，提高接頭的界面結合力和連接強度。
圖1:梯度連接層結構示意圖；圖2:C/C-LAS接頭SEM圖片及梯度連接層設計前后成分變化曲線；圖3:梯度連接層設計前后C/C-LAS剪切性能。
具體實施例方式現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述:
實施例1:將C/C復合材料加工成30 X 30 X 3mm3打磨拋光后清洗，放入烘箱中烘干備用。分別稱取76g Si粉，15g C粉和9g Al2O3粉，球磨Ih混合均勻，首先將配好的粉料填入石墨坩堝，再將C/C樣品放置于粉料中，然后在C/C樣品上面鋪上粉料，使其完全包埋于粉料中，將石墨置于高溫石墨化爐中之后將爐溫升到1800°c，升溫速率為5°C /min，保溫lh，冷卻后取出，得到表面有一層SiC過渡層的改性C/C復合材料樣品備用，用無水乙醇洗滌，于烘箱中烘干備用。分別稱取60g SiO2粉，20g Al2O3粉和20g LiC03。在行星式球磨機上進行干式球磨處理4h，取出后將粉料再裝入氧化鋁坩堝并置于1550°C氧化爐中，保溫3h后取出直接投入干凈的冷水中。待坩堝里的玻璃充分冷卻后取出玻璃塊，砸碎后濕法球磨8h，在80°C烘箱中放置48h烘干后過300目篩，得到LAS粉料備用。再分別稱取IOg MgO粉，24g Al2O3粉，55g SiO2 粉，3g BaO粉，2.5g B2O3粉，5g TiO2粉和0.5g SbO3粉，照LAS粉料的制備方法制備出MAS粉料備用。 取MAS粉料3g、LAS粉料7g在研缽中混合攪拌30min，得到30wt.%、LAS70wt.%的混合粉料備用。取MAS粉料2g，酒精2ml于燒杯中混合得到MAS料漿，將此料漿涂刷于改性C/C表面，再將涂有MAS的C/C樣品在烘箱中烘干，取MAS30wt.%、LAS70wt.%的混合粉料2g，用酒精分散后傾倒于上述樣品上，鋪展均勻后烘干，將樣品放置于熱壓模具中，再稱取LAS粉料17g倒入熱壓模具，使LAS粉料包裹住C/C樣品。將熱壓 模具放入真空熱壓爐中，抽真空到-0.1MPa以內，再以10°C /min升溫到1200°C，施加壓力20MPa，保溫保壓30分鐘后斷電自冷卻至室溫。取出樣品并加工成10 X 9 X 6mm大小樣品作為剪切試驗用。剪切試驗表明，所制備的接頭的平均剪切強度為21.0MPa0圖1為梯度連接層的結構設計示意圖。實施例2:將C/C復合材料加工成30 X 30 X 3mm3打磨拋光后清洗，放入烘箱中烘干備用。分別稱取80g Si粉，15g C粉和5g Al2O3粉，球磨Ih混合均勻，首先將配好的粉料填入石墨坩堝，再將C/C樣品放置于粉料中，然后在C/C樣品上面鋪上粉料，使其完全包埋于粉料中，將石墨置于高溫石墨化爐中之后將爐溫升到2000°c，升溫速率為10°C /min,保溫2h，冷卻后取出，得到表面有一層SiC過渡層的改性C/C復合材料樣品備用，用無水乙醇洗滌，于烘箱中烘干備用。分別稱取75g SiO2粉，15g Al2O3粉和IOg LiC03。在行星式球磨機上進行干式球磨處理4h，取出后將粉料再裝入氧化鋁坩堝并置于1600°C氧化爐中，保溫3h后取出直接投入干凈的冷水中。待坩堝里的玻璃充分冷卻后取出玻璃塊，砸碎后濕法球磨8h，在80°C烘箱中放置48h烘干后過300目篩，得到LAS粉料備用。再分別稱取14g MgO粉，25g Al2O3粉，50g SiO2 粉，3g BaO粉，2.5g B2O3粉，5g TiO2粉和0.5g SbO3粉，照LAS粉料的制備方法制備出MAS粉料備用。取MAS粉料5g、LAS粉料5g在研缽中混合攪拌30min，得到50wt.%,LAS50wt.%的混合粉料備用。取MAS粉料2g，酒精2ml于燒杯中混合得到MAS料漿，將此料漿涂刷于改性C/C表面，再將涂有MAS的C/C樣品在烘箱中烘干，取MAS50wt.%、LAS50wt.%的混合粉料2g，用酒精分散后傾倒于上述樣品上，鋪展均勻后烘干，將樣品放置于熱壓模具中，再稱取LAS粉料17g倒入熱壓模具，使LAS粉料包裹住C/C樣品。將熱壓模具放入真空熱壓爐中，抽真空到-0.1MPa以內，再以10°C /min升溫到1200°C，施加壓力25MPa，保溫保壓30分鐘后斷電自冷卻至室溫。取出樣品并加工成10 X 9 X 6mm大小樣品作為剪切試驗用。剪切實驗結果表明該連接層梯度設計接頭平均剪切強度為24.0MPa0實施例3:將C/C復合材料加工成30 X 30 X 3mm3打磨拋光后清洗，放入烘箱中烘干備用。分別稱取60g Si粉，25g C粉和15g Al2O3粉，球磨Ih混合均勻，首先將配好的粉料填入石墨坩堝，再將C/C樣品放置于粉料中，然后在C/C樣品上面鋪上粉料，使其完全包埋于粉料中，將石墨置于高溫石墨化爐中之后將爐溫升到2100°C，升溫速率為5°C /min，保溫lh，冷卻后取出，得到表面有一層SiC過渡層的改性C/C復合材料樣品備用，用無水乙醇洗滌，于烘箱中烘干備用。分別稱取80g SiO2粉，IOg Al2O3粉和IOg LiC03。在行星式球磨機上進行干式球磨處理4h，取出后將粉料再裝入氧化鋁坩堝并置于1600°C氧化爐中，保溫2h后取出直接投入干凈的冷水中。待坩堝里的玻璃充分冷卻后取出玻璃塊，砸碎后濕法球磨8h，在80°C烘箱中放置48h烘干后過300目篩，得到LAS粉料備用。再分別稱取20g MgO粉，20g Al2O3粉，54g SiO2 粉，2g BaO粉，1.5g B2O3粉，2g TiO2粉和0.5g SbO3粉，照LAS粉料的制備方法制備出MAS粉料備用。取MAS粉料3g、L AS粉料7g在研缽中混合攪拌30min，得到30wt.%、LAS70wt.%的混合粉料備用。取MAS粉料2g，酒精2ml于燒杯中混合得到MAS料漿，將此料漿涂刷于改性C/C表面，再將涂有MAS的C/C樣品在烘箱中烘干，取MAS50wt.%、LAS50wt.%的混合粉料2g，用酒精分散后傾倒于上述樣品上，鋪展均勻后烘干，將樣品放置于熱壓模具中，再稱取LAS粉料17g倒入熱壓模具，使LAS粉料包裹住C/C樣品。將熱壓模具放入真空熱壓爐中，抽真空到-0.1MPa以內，再以10°C /min升溫到1300°C，施加壓力20MPa，保溫保壓30分鐘后斷電自冷卻至室溫。取出樣品并加工成10 X 9 X 6mm大小樣品作為剪切試驗用。剪切實驗結果表明該連接層梯度設計接頭平均剪切強度為22.4MPa。圖2為連接層四個不同區域Mg元素的含量變化趨勢。從圖2中可以看到，在未設計梯度連接層時，Mg含量也成梯度變化，這是由于在熱壓過程中，MAS中Mg元素在化學位梯度作用下擴散形成的結果。連接層設計為梯度成分變化后，Mg含量的變化減緩，這有助于緩解連接層兩側物質熱膨脹不匹配問題，提高接頭連接強度。
權利要求
1.一種提高炭/炭復合材料一鋰鋁硅陶瓷接頭連接性能的方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:稱取質量分數60 80%的Si，15 25%的C和5 15%的Al2O3粉料混合，置于聚四氟乙烯球磨罐中，混合后球磨2 4h并烘干，將制備的粉料裝入石墨坩堝；將C/C復合材料打磨拋光后清洗并烘干，包埋于粉料中，將石墨坩堝放入石墨為發熱體的熱壓真空反應爐中，以氬氣作為保護氣體，以5 10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1800 2100°C，保溫I 3h ;隨后關閉電源自然冷卻至室溫，得到帶有SiC過渡層的C/C復合材料； 步驟2:稱取質量百分比為10 20%的MgO粉，20 30%的Al2O3粉，45 55%的SiO2粉，I 5%的BaO粉，I 5%的B2O3粉，I 5%Ti02，的粉和I 5%的SbO3粉，混合球磨2 4h后，裝入氧化鋁坩堝中置于1550 1650°C氧化爐中保溫2 3h，取出后水淬，得到MAS玻璃塊，以去離子水為介質濕法球磨8 10h，烘干后過篩得到MAS粉料備用； 步驟3:稱取質量百分比為10 20%的LiCO3粉，10 20%的Al2O3粉，60 80%的SiO2粉，混合球磨2 4h后，裝入氧化鋁坩堝中置于1550 1650°C氧化爐中保溫2 3h，取出水淬，得到LAS玻璃塊，以去離子水為介質濕法球磨8 10h，烘干后過篩得到LAS粉料備用； 步驟4:取質量百分比為30 70%的MAS粉料和70 30%的LAS粉料，混合均勻后得到備用； 步驟5:以每份MAS粉料2g和酒精2ml置于燒杯中混合形成MAS料漿，將此料漿涂刷于步驟I得到的帶有SiC過渡層的C/C復合材料表面上，置于80°C烘箱中烘干； 步驟6:以每份連接層粉料2g用酒精分散后傾倒于驟5得到的C/C復合材料表面，并使之分散均勻，烘干后置于熱壓磨具中；` 步驟7:以LAS粉料倒入熱壓模具，平鋪均勻，并將模具置于真空熱壓爐中； 步驟8:以5 15°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1100 1300°C后，保溫10 30min并加載20 25MPa壓力，卸壓后關閉電源自然冷卻至室溫，得到提高了的炭/炭復合材料一鋰鋁硅陶瓷接頭。
2.根據權利要求1所述提高炭/炭復合材料一鋰鋁硅陶瓷接頭連接性能的方法，其特征在于:所述MAS粉料為300目。
3.根據權利要求1所述提高炭/炭復合材料一鋰鋁硅陶瓷接頭連接性能的方法，其特征在于:所述LAS粉料為300目。
全文摘要
本發明涉及一種提高炭/炭復合材料—鋰鋁硅陶瓷接頭連接性能的方法，將中間連接層設計為梯度成分結構，緩解了C/C復合材料與LAS基體的熱膨脹不匹配問題，從而提高了接頭的界面結合力。通過真空熱壓燒結工藝制備的梯度連接層C/C-LAS接頭，相對于未設計梯度結構的接頭，平均剪切強度由15.8MPa提高到24.0MPa，增幅達到51%。本發明的有益效果提高C/C–LAS連接接頭的抗剪切性能，緩解界面處由于熱膨脹系數不匹配產生的熱應力，提高接頭的界面結合力和連接強度。
文檔編號C04B37/00GK103232256SQ20131006473
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月1日 優先權日2013年3月1日
發明者付前剛, 彭晗, 李賀軍, 李克智, 盧錦花 申請人:西北工業大學