專利名稱：一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法,所述高溫為300~1700°C，屬于 炭基復合材料技術領域。
(二)
背景技術：
炭基復合材料由于其低密度、特殊的力學和熱物理性能，越來越得到廣泛的關注，特別 是炭纖維增強炭基復合材料由于其獨特的高溫力學、熱物理性能，已廣泛應用于航空航天等 尖端技術領域。炭基復合材料由于其特殊的制備工藝以及炭纖維的添加，材料的成本高于普 通材料，因而炭基復合材料的修補技術越來越得到各國學者的關注。炭基復合材料的修補可 以在不削減材料性能的基礎上，延長炭基復合材料的使用壽命，降低炭基復合材料的成本。 目前，已經(jīng)開發(fā)了許多復合材料修補技術，如鉚接、焊接等，但是這些修補技術或多或少對 材料本身造成一定損傷，導致材料性能下降。粘接技術是另一類復合材料修補技術，它通過 高性能粘接劑將使用過的復合材料粘接在一起，使材料回復原有的形貌。先進粘接劑的力學 和熱物理性能能夠滿足復合材料的使用要求。選擇合適的填料能夠保證粘接劑的熱膨脹性能 和復合材料相匹配。
目前，炭基復合材料用高溫粘接劑主要有兩種 一種是有機材料粘接劑，另一種是無機 材料粘接劑。有機材料粘接劑在高溫處理后分別能生成炭和氧化硅，粘接劑粘接性能好，然 而其是單相結構的材料，抗熱震性能不夠理想。無機材料粘接劑通過在高溫下生成炭化物將
炭基復合材料粘接，但是粘接劑的熱膨脹系數(shù)(CTE)遠大于炭基復合材料的CTE，使其容 易在熱循環(huán)過程中生成很多裂紋。將無機材料和有機材料混合能互補兩種高溫粘接劑的缺 陷，提高高溫粘接劑的粘接性能，特別是加入炭纖維后將進一步改善粘接劑的力學性能和熱 導性能。本發(fā)明基于以上觀點，提供一種高性能高溫粘接劑的制備方法。
發(fā)明內(nèi)容
1、 目的本發(fā)明的目的在于提供一種炭基復合材料用高溫(300~1700°C)粘接劑的制 備方法，用該技術修補的炭基復合材料從30(TC到170CTC均具有很大的力學性能和良好的熱 物理性能，并且材料在150(TC下進行50次熱循環(huán)后，它能基本維持原有的力學和熱物理性 能，170(TC進行20次熱循環(huán)后，粘接劑性能不會完全失效。
2、 技術方案本發(fā)明一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，所述高溫粘接劑的 高溫適用范圍為300 1700°C，其技術方案為以下兩部分工藝組成高溫粘接劑的制備工藝 和粘接固化及高溫熱處理工藝，如圖1所示。
本發(fā)明一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，所述高溫為300 170(TC(下同)， 該方法具體步驟如下
步驟一高溫粘接劑的制備工藝
本發(fā)明中高溫粘接劑由35-40wt.。/。的有機硅樹脂，25-30wt.。/。的低熔點填料， 15-20wt。/。的硼粉，15-25 wt.。/。硅粉和0.1-0.5wt.。/。的炭纖維混合而成，(wt.% 為質(zhì)量百 分數(shù))
該高溫粘接劑的制備步驟如圖2所示。將低熔點填料、硼粉和硅粉按上述百分比混合， 在14(TC干燥2小時，然后研磨l小時后過篩得到均勻固體混合物后與炭纖維混合，制備得 到粉態(tài)混合料；將有機硅樹脂和丙酮按一定比例混合，稀釋有機硅樹脂，然后在80'C水浴 加熱1小時制成液態(tài)混合料；最后將液態(tài)混合料和粉態(tài)混合料混合，用攪拌器攪拌2小時， 其間加入與粘接劑的質(zhì)量比為l:4的二甲苯以保證其較低的黏度，最終制成高性能粘接劑。
步驟二粘接固化及高溫熱處理工藝
本發(fā)明在粘接過程中，將高溫粘接劑均勻地涂覆在表面刻有一些規(guī)則的細槽炭基復合材 料的粘接面上，然后將炭基材料粘接在一起，最后將其放入高真空碳管爐內(nèi)使其在真空度為 一0.1MPa的真空環(huán)境下30(TC固化3小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力，然后以 5(TC/小時地升溫速度加熱，最后在170(TC高溫熱處理1小時。
其中，步驟一所述的該高溫粘接劑中，有機硅樹脂、低熔點填料和炭纖維是工業(yè)標準， 而硼粉和硅粉是分析純標準。
其中，步驟一所述的有機硅樹脂是指正硅酸四乙酯等。
其中，步驟一所述的低熔點填料是指陶瓷粉等。其中，步驟一所述的低熔點填料，其熔點為600-80(TC、粒度為325 425目。 其中，步驟一所述的硼粉，其粒度為200 300目。 其中，步驟一所述的硅粉，其粒度為200 325目。 其中，步驟一所述的炭纖維，其牌號是T500。
其中，步驟一所述的有機硅樹脂和丙酮按一定比例混合，其體積比為2/1。 3、優(yōu)點及功效本發(fā)明一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，其優(yōu)點及功效在 于制備成本較低、粘接強度高、耐高溫和耐熱震性能，并且材料在1500'C下進行50次熱 循環(huán)后，它能保持一定的強度。
(1) 本發(fā)明粘接后的炭基復合材料在從室溫到noo。c均具有很大的剪切強度。
(2) 本發(fā)明粘接后的炭基復合材料在IIOO'C、 130(TC和150(TC熱循環(huán)100次后，其粘 接強度為12.00MPa左右，剪切強度和炭基復合材料剪切性能相當，熱循環(huán)后粘接劑沒有出 現(xiàn)裂縫和孔隙，粘接樣品不會分開。
(3) 當試樣在170(TC熱循環(huán)20次后其強度為7MPa，說明此時粘接層并沒有完全失效。 因此該粘接劑具有很強的抗熱震性能。
(四)


圖1.為本發(fā)明技術方案的實施步驟流程圖 圖2.為粘接劑制備的步驟流程圖
具體實施方式
-
本發(fā)明的實施例如下 實施例一
本發(fā)明一種炭基復合材料用高溫(300~1700°C)粘接劑的制備方法，該方法具體步驟如
下
步驟一高溫粘接劑的制備方法
技術領域：
本發(fā)明中粘接劑由35wt。/。的有機硅樹脂正硅酸四乙酯，30wt。/。的350目低熔點填料陶 瓷粉，15wt.。/。的200目硼粉，19.8wt.%200目硅粉和0.2wt /。的炭纖維組成，其制備步驟如 圖2所示。其中正硅酸四乙酯和陶瓷粉是工業(yè)標準，其他均是分析純標準。將陶瓷粉、硼粉 和硅粉按上述百分比混合，在14(TC干燥2小時，然后研磨1小時后過篩得到均勻固體混合
62/1的比例混合，稀釋正硅酸四乙酯，然后在8(TC水浴加熱1小時制成液態(tài)混合料；最后將液態(tài)混合料和粉態(tài)混合料混合，用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑的質(zhì)量比為l:4的二甲苯以保證其較低的黏度，最終制成高性能粘接劑。
步驟二粘接固化及高溫熱處理工藝
本發(fā)明在粘接過程中，將粘接劑均勻地涂覆在表面刻有一些規(guī)則的細槽炭基復合材料的粘接面上，然后將炭基材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內(nèi)使其在真空度為一
(UMPa的真空環(huán)境下300'C固化3小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力，然后以50'C/小時地升溫速度加熱，最后在1700°C高溫熱處理l小時。性能的評價
本發(fā)明對C/C復合材料的深度再生修復的性能評價，按照如下方法進行參耐熱性能。將粘接好的試樣放入高真空碳管爐內(nèi)，在氮氣保護下分別于400。C至1700°C
保溫5個小時，然后將其冷卻到室溫進行粘接性能測試。攀抗熱震性能測試?？篃嵴鹦阅軠y試是在硅鉬棒爐中按照以下過程進行當爐內(nèi)溫度達
到所要的溫度時(分別是110(TC， 130(TC和150(TC)，將試樣放入爐內(nèi)并放置10分鐘，
然后將其冷卻到室溫，在不同的溫度下依次分別循環(huán)IOO， 100和100次。*粘接性能測試。是通過在萬能電子試驗機上測試試樣的剪切性能來衡量的。
實施例二
本發(fā)明一種炭基復合材料用高溫(300 170(TC)粘接劑的制備方法，該方法具體步驟如
下
步驟一高溫粘接劑的制備方法
技術領域：
本發(fā)明中粘接劑由35wt。/。的有機硅樹脂正硅酸四乙酯，25wt。/。的350目低熔點填料陶瓷粉，15wt。/。的硼粉200目，24.6wt.。/Q硅粉200目和0.4wt.。/。的炭纖維組成，其制備步驟如圖2所示。其中正硅酸四乙酯和陶瓷粉是工業(yè)標準，其他均是分析純標準。將陶瓷粉、硼粉和硅粉按上述百分比混合，在14(TC干燥2小時，然后研磨1小時后過篩得到均勻固體混合物后與炭纖維混合，制備得到粉態(tài)混合料；將正硅酸四乙酯和丙酮按體積比為2/1的比例混合，稀釋正硅酸四乙酯，然后在80'C水浴加熱1小時制成液態(tài)混合料；最后將液態(tài)混合料和粉態(tài)混合料混合，用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑的質(zhì)量比為l:4的二甲苯以保證其較低的黏度，最終制成高性能粘接劑。步驟二粘接固化及高溫熱處理工藝
本發(fā)明在粘接過程中，將粘接劑均勻地涂覆在表面刻有一些規(guī)則的細槽炭基復合材料的 粘接面上，然后將炭基材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內(nèi)使其在真空度為一 0.1MPa的真空環(huán)境下30(TC固化3小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力，然后以50'C/ 小時地升溫速度加熱，最后在1700°C高溫熱處理1小時。 性能的評價
本發(fā)明對C/C復合材料的深度再生修復的性能評價，按照如下方法進行
* 耐熱性能。將粘接好的試樣放入高真空碳管爐內(nèi)，在氮氣保護下分別于40crc至noo'c
保溫5個小時，然后將其冷卻到室溫進行粘接性能測試。
* 抗熱震性能測試。抗熱震性能測試是在硅鉬棒爐中按照以下過程進行當爐內(nèi)溫度達
到所要的溫度時(分別是IIO(TC, 130(TC和150(TC)，將試樣放入爐內(nèi)并放置IO分鐘， 然后將其冷卻到室溫，在不同的溫度下依次分別循環(huán)100， 100和100次。 粘接性能測試。是通過在萬能電子試驗機上測試試樣的剪切性能來衡量的。 實施例三
本發(fā)明一種炭基復合材料用高溫G00 170(TC)粘接劑的制備方法，該方法具體步驟
如下
步驟一高溫粘接劑的制備方法
技術領域：
本發(fā)明中粘接劑由40wt。/。的有機硅樹脂正硅酸四乙酯，30wt.。/。的350目低熔點填料陶 瓷粉，15wt.。/。的200目硼粉，14.6wt.%200目硅粉和0.4wt.。/。的炭纖維組成，其制備步驟如 圖2所示。其中正硅酸四乙酯和陶瓷粉是工業(yè)標準，其他均是分析純標準。將陶瓷粉、硼粉 和硅粉按上述百分比混合，在14(TC干燥2小時，然后研磨l小時后過篩得到均勻固體混合 物后與炭纖維混合，制備得到粉態(tài)混合料；將正硅酸四乙酯和丙酮按體積比為2/l的比例混 合，稀釋正硅酸四乙酯，然后在8(TC水浴加熱1小時制成液態(tài)混合料；最后將液態(tài)混合料 和粉態(tài)混合料混合，用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑的質(zhì)量比為l:4的二甲苯以保 證其較低的黏度，最終制成高性能粘接劑。 步驟二粘接固化及高溫熱處理工藝 本發(fā)明在粘接過程中，將粘接劑均勻地涂覆在表面刻有一些規(guī)則的細槽炭基復合材料的 粘接面上，然后將炭基材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內(nèi)使其在真空度為一0.1MPa的真空環(huán)境下30(TC固化3小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力，然后以5(TC/小時地升溫速度加熱，最后在170(TC高溫熱處理1小時。性能的評價
本發(fā)明對C/C復合材料的深度再生修復的性能評價，按照如下方法進行
* 耐熱性能。將粘接好的試樣放入高真空碳管爐內(nèi)，在氮氣保護下分別于40(TC至1700°C保溫5個小時，然后將其冷卻到室溫進行粘接性能測試。
* 抗熱震性能測試?？篃嵴鹦阅軠y試是在硅鉬棒爐中按照以下過程進行當爐內(nèi)溫度達到所要的溫度時(分別是IIO(TC, 130(TC和150(TC)，將試樣放入爐內(nèi)并放置IO分鐘，然后將其冷卻到室溫，在不同的溫度下依次分別循環(huán)100， IOO和IOO次。
粘接性能測試。是通過在萬能電子試驗機上測試試樣的剪切性能來衡量的。
權利要求
1、一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，高溫范圍為300～1700℃，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一高溫粘接劑的制備工藝高溫粘接劑由35-40wt.％的有機硅樹脂，25-30wt.％的低熔點填料，15-20wt.％的硼粉，15-25wt.％硅粉和0.1-0.5wt.％的炭纖維混合而成，其制備程序是將低熔點填料、硼粉和硅粉按上述百分比混合，在140℃干燥2小時，然后研磨1小時后過篩得到均勻固體混合物后與炭纖維混合，制備得到粉態(tài)混合料；將有機硅樹脂和丙酮按一定比例混合，稀釋有機硅樹脂，然后在80℃水浴加熱1小時制成液態(tài)混合料；最后將液態(tài)混合料和粉態(tài)混合料混合，用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑的質(zhì)量比為1∶4的二甲苯以保證其較低的黏度，最終制成高性能粘接劑；步驟二粘接固化及高溫熱處理工藝將粘接劑均勻地涂覆在表面刻有規(guī)則的細槽炭基復合材料的粘接面上，使其炭基材料粘接在一起，然后將其放入高真空碳管爐內(nèi)使其在真空度為-0.1MPa的真空環(huán)境下300℃固化3小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力，再以50℃/小時地升溫速度加熱，最后在1700℃高溫熱處理1小時。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟一所述的該高溫粘接劑中，有機硅樹脂、低熔點填料和炭纖維是工業(yè)標準，而硼粉和硅粉是分析純標準。
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，其特征在于該有機硅樹脂是指正硅酸四乙酯。
4、 根據(jù)權利要求1所述的一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，其特征在于該低熔點填料是指陶瓷粉。
5、 根據(jù)權利要求1所述的一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟一所述的低熔點填料，其熔點為600-80(TC、粒度為325-425目。
6、 根據(jù)權利要求1所述的一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟一所述的硼粉,其粒度為200-300目。
7、 根據(jù)權利要求1所述的一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟一所述的硅粉,其粒度為200 325目。
8、 根據(jù)權利要求1所述的一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟一所述的炭纖維,其牌號是T500。
9、 根據(jù)權利要求1所述的一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，其特征在于步驟一所述的有機硅樹脂和丙酮按一定比例混合，其體積比為2/1。
全文摘要
一種炭基復合材料用高溫粘接劑的制備方法，該方法如下步驟一、高溫粘接劑的制備工藝高溫粘接劑由35-40wt.％的有機硅樹脂，25-30wt.％的低熔點填料，15-20wt.％的硼粉，15-25wt.％硅粉和0.1-0.5wt.％的炭纖維混合而成；步驟二、粘接固化及高溫熱處理工藝在粘接過程中，將粘接劑均勻地涂覆在表面刻有規(guī)則細槽的炭基復合材料粘接面上，然后將其放入高真空碳管爐內(nèi)使其在真空度為-0.1MPa的真空環(huán)境下300℃固化3小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力，然后以50℃/小時地升溫速度加熱，最后在1700℃高溫熱處理1小時。本發(fā)明制備成本較低、粘接強度高、耐高溫和耐熱震性能，并且材料在1500℃下進行50次熱循環(huán)后，仍能保持一定的強度，它在炭基復合材料領域內(nèi)具有廣泛的實用價值和應用前景。
文檔編號C04B37/00GK101671194SQ20091009395
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權日2009年9月23日
發(fā)明者巧 向, 娜 安, 畢燕洪, 羅瑞盈 申請人:北京航空航天大學