專利名稱：碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法
技術領域：
本發明涉及一種復合材料緊固件的防松方法，具體涉及一種碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法。
背景技術：
碳/碳和陶瓷基復合材料具有優良的高溫比強度和高溫比模量，在航空航天飛行器等熱結構件上的應用日益受到關注。為了實現大型復雜熱結構件的制造，采用碳/碳或是陶瓷基復合材料緊固件進行集成是一個有效的途徑。由于航空航天飛行器在工作狀態中，大都存在不同程度的振動和噪聲問題，在沖擊振動或變載荷作用下，碳/碳以及陶瓷基復合材料緊固件經常會發生松動。緊固件的松動可能會引起整個熱結構件的失效，造成飛行器發生災難性的事故。因此，碳/碳和陶瓷基復合材料緊固件對航空航天飛行器的安全起著著至關重要的作用。文獻 l“Ke Qingqing,Cheng Laifei,Tong Qiaoying,Zhang Qing,Zhang Litong.Microstructure and Properties of Joints of2D C/SiC Composites by Riveting[J].Rare Metal Materials and Engineering.2006, 35 (9):1497-1500.”公開了一種復合材料緊固件的防松方法，該方法采用二維C/SiC進行連接，然后在鉚釘孔和鉚釘之間沉積SiC，得到較為理想的連接結構。但 這種連接方法是一種永久性的連接方法，不可拆卸。文獻 2“Hui Mei, Laifei Cheng, Qingqing Ke, et al.High-temperature tensileproperties and oxidation behavior of carbon fiber reinforced silicon carbidebolts in a simulated re-entry environment[J].Carbon.2010,48(11):3007-3013.，，公開了一種CVI制備2DC/SiC螺栓緊固件的高溫性能，由于C/SiC螺栓在1300°C較高溫時容易發生氧化失效且在振動環境中會發生松動，限制了陶瓷基復合材料螺栓緊固件的應用。
發明內容
為了克服現有復合材料緊固件的防松方法重復使用率差的不足，本發明提供一種碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法。該方法對碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件浸滲入液態陶瓷先驅體，緊固件緊固連接后，得到改性后的緊固件。然后在一定溫度下交聯固化，得到改性后的緊固件連接件。改性后的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件，在連接處形成陶瓷連接，并且在緊固件連接表面上形成一定厚度的涂層，使得緊固件松脫退出的阻力增大，可以提高復合材料緊固件的防松抗振性能和重復使用率。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特點是包括以下步驟:步驟一、對碳/碳基或陶瓷基復合材料螺栓緊固件進行清洗烘干。步驟二、采用甲苯和丙酮作為溶劑，按相對于液態陶瓷先驅體體積比例為0.5
5.0vol.%的體積配置成液態陶瓷先驅體溶液，然后分別在液態陶瓷先驅體溶液中摻入粒徑為10 100nm、質量分數為0% 5%的納米陶瓷顆粒粉體，通過機械攪拌均勻成液態陶瓷先驅體。步驟三、將步驟二制備的液態陶瓷先驅體倒入敞口容器中，將裝有液態陶瓷先驅體的敞口容器和經步驟一處理的碳/碳基或陶瓷基復合材料螺栓緊固件分別放入密閉容器內，抽真空20 50min，保持密閉容器內的絕對壓力為3.0 X IO2Pa 3.0 X IO3Pa,然后將螺栓浸沒在液態陶瓷先驅體中繼續抽真空30 60min ;真空滲透后給密閉容器通入氣氛，容器內氣氛壓力達到1.0 5.0MPa后保持30 60min ;取出碳/碳基或陶瓷基復合材料螺栓緊固件與試件緊固，預緊力為0.5 1.5Nm。步驟四:將經過步驟三處理的碳/碳基或陶瓷基復合材料螺栓緊固件和試件放置在交聯熱解爐中交聯固Ih 3h，保持爐中為氬氣或氮氣惰性氣體氣氛為常壓，溫度為100。。 300。。。所述碳/碳基復合材料螺栓緊固件是二維C/C復合材料或者三維針刺C/C復合材料螺栓緊固件的任一種。所述碳/碳基復合材料螺栓緊固件的密度為1.6 1.9g/cm3。所述碳/碳基復合材料螺栓緊固件的開氣孔率為20 30vol.%。所述陶瓷基復合材料螺栓緊固件是二維C/SiC復合材料、二點五維C/SiC復合材料或者三維C/SiC復合材料螺栓緊固件的任一種。所述陶瓷基復合材料螺栓緊固件的密度為1.9 2.lg/cm3。所述陶瓷基復合材料螺栓緊固件的開氣孔率為15 30vol.%。
所述液態陶瓷先驅體是聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚硅氧烷或者聚硼硅氮烷的任一種。所述納米陶瓷顆粒粉體是納米SiC、納米Si3N4或者納米BN的任一種。所述氣氛是氬氣、空氣、氮氣或者氧氣的任一種。本發明的有益效果是:由于對碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件浸滲入液態陶瓷先驅體，緊固件緊固連接后，得到改性后的緊固件。然后在一定溫度下交聯固化，得到改性后的緊固件連接件。改性后的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件，在螺紋與螺母之間形成陶瓷連接，并且在伸出螺母之外的螺紋上形成一定厚度的涂層，使得螺母松脫退出的阻力增大，從而提高了復合材料緊固件的防松抗振性能和重復使用率。下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。
圖1是本發明方法的流程圖。圖2是本發明方法實施例1中未改性C/C基復合材料緊固件的振動頻譜信號差值曲線。圖3是本發明方法實施例2、實施例3中經過L-PCS和L-PZS改性C/C基復合材料緊固件的振動頻譜信號差值曲線。圖4是本發明方法實施例5、實施例6中經過L-PCS和L-PZS改性C/SiC基復合材料緊固件的振動頻譜信號差值曲線。圖5是本發明方法實施例7中經過L-PBSZ改性后螺栓緊固件截斷面的SEM照片。
具體實施方式
參照圖1-5。本發明方法具體步驟如下:實施例1:選擇二維(2D) C/C復合材料(密度為1.6g/cm3，開氣孔率為30vol.%)雙頭螺栓和試件，直徑為8mm，螺柱長為55mm (其中兩頭螺紋長度均為15mm，中間為無螺紋螺桿)，螺母為正六邊形(邊長為9mm，孔徑8mm，厚5mm)。試件尺寸為分別為125X20X 15、100X20X15 (長X寬X高，單位mm)。長度方向上距離邊緣25mm處打孔，直徑為8.5mm。清洗烘干待用。將螺栓與試件緊固，預緊力為0.5Nm。將螺栓緊固件進行振動試驗，加速度為20g，激振頻率為117Hz。從圖2中可以看至IJ，頻譜信號差值變大偏離零線，螺栓緊固件出現松動失效。實施例2:選擇三維針刺(3DN)C/C復合材料(密度為1.9g/cm3，開氣孔率為20vol.%)雙頭螺栓和試件，直徑為8mm，螺柱長為55mm (其中兩頭螺紋長度均為15mm，中間為無螺紋螺桿)，螺母為正六邊形(邊長為9mm，孔徑8mm，厚5mm)。試件尺寸為分別為125 X 20 X 15、100 X 20 X 15 (長X寬X高，單位_)。長度方向上距離邊緣25mm處打孔，直徑為8.5mm。清洗烘干待用。將300ml L-PCS陶瓷先驅體中加入3ml甲苯的配置成一定黏度的陶瓷先驅體溶液，陶瓷先驅體浸滲采用真空浸滲結合壓力浸滲。將制備的L-PCS陶瓷先驅體倒入敞口容器中，將敞口容器和三維針刺(3DN) C/C復合材料雙頭螺栓分別放入密閉容器內，抽真空20min，保持密閉容器內的絕對壓力為1.0 X IO3Pa,然后將三維針刺(3DN)C/C復合材料雙頭螺栓浸沒在L-PCS陶瓷先驅體中繼續抽真空30min ;再把三維針刺(3DN)C/C復合材料雙頭螺栓同L-PCS陶瓷先驅體一起放入密閉容器中加壓浸滲，給密閉容器通入氬氣，容器內氬氣氣氛壓力達到IMPa，保持30min。取出螺栓后與試件緊固，預緊力為0.5Nm。將經過前面步驟處理過的螺栓緊固件放置在交聯熱解爐中交聯固化1.5h，保持爐中為氬氣氣氛常壓，交聯固化溫度為160°C。得到改性后的三維針刺(3DN)C/C螺栓緊固件。 將改性后的螺栓緊固件進行振動試驗，加速度為20g，激振頻率為112Hz。從圖3中可以看到，頻譜信號差值保持在零線附近，沒有出現松動，說明改性后螺栓緊固件防松性倉泛擊是1 。實施例3:選擇三維針刺(3DN)C/C復合材料(密度為1.9g/cm3，開氣孔率為20vol.%)雙頭螺栓和試件，直徑為8mm，螺柱長為55mm (其中兩頭螺紋長度均為15mm，中間為無螺紋螺桿)，螺母為正六邊形(邊長為9mm，孔徑8mm，厚5mm)。試件尺寸為分別為125 X 20 X 15、100 X 20 X 15 (長X寬X高，單位_)。長度方向上距離邊緣25mm處打孔，直徑為8.5mm。清洗烘干待用。將300ml L-PZS陶瓷先驅體中加入3ml丙酮配置成一定黏度的陶瓷先驅體溶液，然后在液態先驅體中摻入8g粒徑為10 90nm的納米SiC，通過機械攪拌均勻成一定黏度的液態陶瓷先驅體。陶瓷先驅體浸滲采用真空浸滲結合壓力浸滲。將制備的L-PZS陶瓷先驅體倒入敞口容器中，將敞口容器和三維針刺(3DN)C/C復合材料雙頭螺栓分別放入密閉容器內，抽真空40min，保持密閉容器內的絕對壓力為2.0X IO3Pa,然后將三維針刺(3DN)C/C復合材料雙頭螺栓浸沒在L-PCS陶瓷先驅體中繼續抽真空40min ;再把三維針刺(3DN) C/C復合材料雙頭螺栓同L-PZS陶瓷先驅體一起放入密閉容器中加壓浸滲，給密閉容器通入氮氣，容器內氮氣氣氛壓力達到1.5MPa，保持40min。取出螺栓后與試件緊固，預緊力為0.5Nm。將經過前面步驟處理過的螺栓緊固件放置在交聯熱解爐中交聯固化2h，保持爐中為氬氣氣氛常壓，交聯固化溫度為170°C。得到改性后的C/C螺栓緊固件。
將改性后的螺栓緊固件進行振動試驗，加速度為20g，激振頻率為112Hz。從圖3中可以看到，頻譜信號差值保持在零線附近，沒有出現松動，說明改性后螺栓緊固件防松性倉泛擊是1 。實施例4:選擇二維(2D)C/SiC復合材料(密度為1.9g/cm3，開氣孔率為25vol.%)雙頭螺栓和試件，直徑為8mm，螺柱長為55mm (其中兩頭螺紋長度均為15mm，中間為無螺紋螺桿)，螺母為正六邊形(邊長為9mm，孔徑8mm，厚5mm)。試件尺寸為分別為125X20X 15、100X20X15 (長X寬X高，單位mm)。長度方向上距離邊緣25mm處打孔，直徑為8.5mm。清洗烘干待用。將300ml L-PSZ陶瓷先驅體中加入5ml甲苯配置成一定黏度的陶瓷先驅體溶液，然后在液態先驅體中摻入8g粒徑為20 80nm的納米Si3N4，通過機械攪拌均勻成一定黏度的液態陶瓷先驅體。陶瓷先驅體浸滲采用真空浸滲結合壓力浸滲。將制備的L-PSZ陶瓷先驅體倒入敞口容器中，將敞口容器和二維(2D) C/SiC復合材料雙頭螺栓分別放入密閉容器內，抽真空30min，保持密閉容器內的絕對壓力為3.0X IO2Pa,然后將二維(2D) C/SiC復合材料雙頭螺栓浸沒在L-PSZ陶瓷先驅體中繼續抽真空40min ;再把二維(2D)C/SiC復合材料雙頭螺栓同L-PSZ陶瓷先驅體一起放入密閉容器中加壓浸滲，給密閉容器通入空氣，容器內空氣氣氛壓力達到2MPa，保持40min。取出螺栓后與試件緊固，預緊力為0.5Nm。將經過前面步驟處理過的螺栓緊固件放置在交聯熱解爐中交聯固化1.5h，保持爐中為氬氣氣氛常壓，交聯固化溫度為200°C。得到改性后的C/SiC螺栓緊固件。將改性后的螺栓緊固件進行振動試驗，加速度為20g，激振頻率為212Hz。頻譜信號差值保持在零線附近，沒有出現松動，說明改性后螺栓緊固件防松性能提高。實施例5:選擇二點五維(2.5D) C/SiC復合材料(密度為1.9g/cm3，開氣孔率為20vol.%)雙頭螺栓和試件，直徑為8mm，螺柱長為55mm (其中兩頭螺紋長度均為15mm，中間為無螺紋螺桿)，螺母為正六邊形(邊長為9mm，孔徑8mm，厚5mm)。試件尺寸為分別為125 X 20 X 15、100 X 20 X 15 (長X寬X高，單位_)。長度方向上距離邊緣25mm處打孔，直徑為8.5mm。清洗烘干待用。將300ml L-PSO陶瓷先驅體中加入8ml丙酮配置成一定黏度的陶瓷先驅體溶液，然 后在液態先驅體中摻入IOg粒徑為10 90nm的納米BN，通過機械攪拌均勻成一定黏度的液態陶瓷先驅體。陶瓷先驅體浸滲采用真空浸滲結合壓力浸滲。將制備的L-PSO陶瓷先驅體倒入敞口容器中，將敞口容器和二點五維(2.5D) C/SiC復合材料雙頭螺栓分別放入密閉容器內，抽真空50min，保持密閉容器內的絕對壓力為1.0XlO3Pa,然后將二點五維(2.5D) C/SiC復合材料雙頭螺栓浸沒在L-PSO陶瓷先驅體中繼續抽真空60min ;再把二點五維(2.0T)C/SiC復合材料雙頭螺栓同L-PSO陶瓷先驅體一起放入密閉容器中加壓浸滲，給密閉容器通入氧氣，容器內氧氣氣氛壓力達到3MPa，保持50min。取出螺栓后與試件緊固，預緊力為1.0Nm。將經過前面步驟處理過的螺栓緊固件放置在交聯熱解爐中交聯固化2h，保持爐中為氮氣氣氛常壓，交聯固化溫度為250°C。得到改性后的C/SiC螺栓緊固件。將改性后的螺栓緊固件進行振動試驗，加速度為20g，激振頻率為212Hz。從圖4中可以看到，頻譜信號差值保持在零線附近，沒有出現松動，說明改性后螺栓緊固件防松性倉泛擊是1 。實施例6:選擇三維(3D)C/SiC復合材料(密度為2.0g/cm3，開氣孔率為20vol.%)雙頭螺栓和試件，直徑為8mm，螺柱長為55mm (其中兩頭螺紋長度均為15mm，中間為無螺紋螺桿)，螺母為正六邊形(邊長為9mm，孔徑8mm，厚5mm)。試件尺寸為分別為125X20X 15、100X20X15 (長X寬X高，單位mm)。長度方向上距離邊緣25mm處打孔，直徑為8.5mm。清洗烘干待用。將300ml L-PBSZ陶瓷先驅體中加入12ml甲苯配置成一定黏度的陶瓷先驅體溶液，然后在液態先驅體中摻入12g粒徑為10 IOOnm的納米BN，通過機械攪拌均勻成一定黏度的液態陶瓷先驅體。陶瓷先驅體浸滲采用真空浸滲結合壓力浸滲。將制備的L-PBSZ陶瓷先驅體倒入敞口容器中，將敞口容器和三維(3D) C/SiC復合材料雙頭螺栓分別放入密閉容器內，抽真空50min，保持密閉容器內的絕對壓力為2.0X IO3Pa,然后將三維(3D)C/SiC復合材料雙頭螺栓浸沒在L-PBSZ陶瓷先驅體中繼續抽真空50min ;再把三維(3D)C/SiC復合材料雙頭螺栓同L-PBSZ陶瓷先驅體一起放入密閉容器中加壓浸滲，給密閉容器通入氬氣，容器內氬氣氣氛壓力達到4MPa，保持50min。取出螺栓后與試件緊固，預緊力為1.0Nm。將經過前面步驟處理過的螺栓緊固件放置在交聯熱解爐中交聯固化2h，保持爐中為氮氣氣氛常壓，交聯固化溫度為170°C。得到改性后的C/SiC螺栓緊固件。將改性后的螺栓緊固件進行振動試驗，加速度為20g，激振頻率為212Hz。從圖4中可以看到，頻譜信號差值保持在零線附近，沒有出現松動，說明改性后螺栓緊固件防松性倉泛擊是1 。實施例7:選擇三維(3D)C/SiC復合材料(密度為2.lg/cm3，開氣孔率為15vol.%)雙頭螺栓和試件，直徑為8mm，螺柱長為55mm (其中兩頭螺紋長度均為15mm，中間為無螺紋螺桿)，螺母為正六邊形(邊長為9mm，孔徑8mm，厚5mm)。試件尺寸為分別為125X20X 15、100X20X15 (長X寬X高，單位mm)。長度方向上距離邊緣25mm處打孔，直徑為8.5mm。清洗烘干待用。將300ml L-PBSZ陶瓷先驅體中加入15ml甲苯的配置成一定黏度的陶瓷先驅體溶液，然后在液態先驅體中摻入15g粒徑為10 IOOnm的納米SiC，通過機械攪拌均勻成一定黏度的液態陶瓷先驅體。陶瓷先驅體浸滲采用真空浸滲結合壓力浸滲。將制備的L-PBSZ陶瓷先驅體倒入敞口容器中，將敞口容器和三維(3D) C/SiC復合材料雙頭螺栓分別放入密閉容器內，抽真空50min，保持密閉容器內的絕對壓力為3.0X IO3Pa,然后將三維(3D)C/SiC復合材料雙 頭螺栓浸沒在L-PBSZ陶瓷先驅體中繼續抽真空60min ;再把三維(3D)C/SiC復合材料雙頭螺栓同L-PBSZ陶瓷先驅體一起放入密閉容器中加壓浸滲，給密閉容器通入氮氣，容器內氮氣氣氛壓力達到5MPa，保持60min。取出螺栓后與試件緊固，預緊力為1.5Nm。將經過前面步驟處理過的螺栓緊固件放置在交聯熱解爐中交聯固化2h，保持爐中為氮氣氣氛常壓，交聯固化溫度為190°C。得到改性后的C/SiC螺栓緊固件。將改性后的螺栓緊固件進行振動試驗，加速度為20g，激振頻率為216Hz。從圖5中可以看到，擰緊后伸長在螺母外的螺紋上形成了厚度約20 μ m的涂層，使得螺母松脫退出的阻力增大，抑制螺母松退，從而提高了緊固件的防松性能。
權利要求
1.一種碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、對碳/碳基或陶瓷基復合材料螺栓緊固件進行清洗烘干； 步驟二、采用甲苯和丙酮作為溶劑，按相對于液態陶瓷先驅體體積比例為0.5 5.0vol.%的體積配置成液態陶瓷先驅體溶液，然后分別在液態陶瓷先驅體溶液中摻入粒徑為10 lOOnm、質量分數為0% 5%的納米陶瓷顆粒粉體，通過機械攪拌均勻成液態陶瓷先驅體； 步驟三、將步驟二制備的液態陶瓷先驅體倒入敞口容器中，將裝有液態陶瓷先驅體的敞口容器和經步驟一處理的碳/碳基或陶瓷基復合材料螺栓緊固件分別放入密閉容器內，抽真空20 50min，保持密閉容器內的絕對壓力為3.0X IO2Pa 3.0 X IO3Pa,然后將螺栓浸沒在液態陶瓷先驅體中繼續抽真空30 60min ;真空滲透后給密閉容器通入氣氛，容器內氣氛壓力達到1.0 5.0MPa后保持30 60min ;取出碳/碳基或陶瓷基復合材料螺栓緊固件與試件緊固，預緊力為0.5 1.5Nm ； 步驟四:將經過步驟三處理的碳/碳基或陶瓷基復合材料螺栓緊固件和試件放置在交聯熱解爐中交聯固Ih 3h，保持爐中為氬氣或氮氣惰性氣體氣氛為常壓，溫度為100°C 300。。。
2.根據權利要求1所述的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特征在于:所述碳/碳基復合材料螺栓緊固件是二維C/C復合材料或者三維針刺C/C復合材料螺栓緊固件的任一種。
3.根據權利要求1所述的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特征在于:所述碳/碳基復合材料螺栓緊固件的密度為1.6 1.9g/cm3。
4.根據權利要求1所述的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特征在于:所述碳/碳基復合材 料螺栓緊固件的開氣孔率為20 30vol.%。
5.根據權利要求1所述的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特征在于:所述陶瓷基復合材料螺栓緊固件是二維C/SiC復合材料、二點五維C/SiC復合材料或者三維C/SiC復合材料螺栓緊固件的任一種。
6.根據權利要求1所述的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特征在于:所述陶瓷基復合材料螺栓緊固件的密度為1.9 2.lg/cm3。
7.根據權利要求1所述的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特征在于:所述陶瓷基復合材料螺栓緊固件的開氣孔率為15 30vol.%。
8.根據權利要求1所述的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特征在于:所述液態陶瓷先驅體是聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚硅氧烷或者聚硼硅氮烷的任一種。
9.根據權利要求1所述的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特征在于:所述納米陶瓷顆粒粉體是納米SiC、納米Si3N4或者納米BN的任一種。
10.根據權利要求1所述的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，其特征在于:所述氣氛是IS氣、空氣、氮氣或者氧氣的任一種。
全文摘要
本發明公開了一種碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件的防松方法，用于解決現有的復合材料緊固件的防松方法重復使用率差的技術問題。技術方案是首先對碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件浸滲入液態陶瓷先驅體，緊固件緊固連接后，得到改性后的緊固件。然后在一定溫度下交聯固化，得到改性后的緊固件連接件。改性后的碳/碳基或陶瓷基復合材料緊固件，在螺紋與螺母之間形成陶瓷連接，并且在伸出螺母之外的螺紋上形成一定厚度的涂層，使得螺母松脫退出的阻力增大，從而提高了復合材料緊固件的防松抗振性能和重復使用率。
文檔編號F16B33/00GK103102179SQ201310003908
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月6日 優先權日2013年1月6日
發明者殷小瑋, 郝秉磊, 李貞 , 成來飛, 張立同, 劉小瀛 申請人:西北工業大學