專利名稱：炭/炭復合材料的深度再生修復技術的制作方法
炭/炭復合材料的深度再生修復技術(一) 技術領域-本發(fā)明提供一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，屬于炭/炭復合材料 技術領域。(二)
背景技術：
炭/炭(C/C)復合材料具有優(yōu)異的高溫機械性能，使其在航空航天領域得 到廣泛的應用，但由于其復雜的制備工藝和較脆的特性，使得這種復合材料很 難直接應用于制造大尺寸或者復雜結構的構件。另一方面，C/C復合材料非常 高的制備成本也限制了它相對于其它高溫結構材料的優(yōu)勢。目前，盡管己開發(fā) 了許多連接技術，但在實際應用中都存在許多缺陷。如螺栓連接、釬焊等技術 等都不可避免對材料本身造成一定的破壞。因此，在高溫條件下真正實現安全 有效的連接還必須依賴粘接技術。C/C復合材料的高溫粘接材料有兩種 一種是有機材料粘接劑，如酚醛樹 脂和正硅酸四乙酯等，它們在高溫處理后分別能生成炭和氧化硅的無機材料。 這類粘接劑具有很強的粘接性能，然而由于它們是單相結構的材料，使其抗熱 震性能不夠理想。另一種是無機材料粘接劑，如氧化鋁-氧化硼-氧化硅，硅粉 以及一些金屬材料粘接劑等。其中氧化鋁-氧化硼-氧化硅在高溫熱處理后能生 成一種氧化鋁-硼硅酸鹽粘接層，但是這種粘接劑是靠與C/C基體的物理結合，因此其粘接性能不夠理想。而硅粉和金屬材料粘接劑能直接與c/c基體反應生成一層炭化物粘接過渡層，因而該粘接劑具有很強的粘接性能，但是這些炭化物的熱膨脹系數(CTE)遠大于C/C基體的CTE，使其容易在熱循環(huán)過程中形 成很多裂紋。因此，該技術的核心是研制出具有很強的粘接性能、耐高溫和耐 熱震性能的粘接劑。
發(fā)明內容
本發(fā)明一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，其目的在于提供一種炭 /炭復合材料的深度再生修復技術，用該技術修復后的C/C復合材料在從室溫到 170(TC均具有很大的剪切強度，剪切性能測試后表現為基體斷裂機制；并且材料在150(TC下進行20次熱循環(huán)后，它能保持一定的強度。本發(fā)明一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，其技術方案為以下三部分工藝C/C復合材料的表面處理工藝、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。(1) c/c復合材料的表面處理工藝粘接面的處理按照以下兩個步驟進行首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙將粘 接面打磨平整，并且在粘接面加工出一些規(guī)則的細槽，然后，將材料浸入無水乙醇內用超聲波清洗機清洗2小時，最后在80。C的環(huán)境下干燥4小時。(2) 高溫粘接劑的制備工藝本發(fā)明中高溫粘接劑由30-35wt。/。的有機硅樹脂，30-35wt。/。的低熔點填料， 20-25wt.。/。的鋁粉，15-20 wt.。/。硅粉和0.1-0.5wt.。/。的炭纖維混合而成，其制備步 驟如圖2所示。將混合好的粘接劑用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑(該 字為代理人添加)的質量比為l:4的二甲苯以保證其較低的黏度。(3) 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C/C復合材料的粘接面上， 然后將C/C復合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內使其在真空環(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，然后在 70(TC-120(TC高溫熱處理4小時。其中，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， 而鋁粉和硅粉是分析純標準。其中，該低熔點填料的熔點為600-80(TC、粒度為325 425目。其中，該鋁粉的粒度為200-325目。其中，硅粉的粒度為200-325目。其中，炭纖維的牌號是T800。 本發(fā)明一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，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150(TC下進行20 次熱循環(huán)后，它能保持一定的強度。(1) 本發(fā)明粘接后的C/C復合材料在從室溫到170(TC均具有很大的剪切強 度，特別是在800'C-120(rC時剪切性能測試后表現為基體斷裂機帝ij，如圖4所示。(2) 本發(fā)明粘接后的C/C復合材料在900°C、 1000。C和IIO(TC熱循環(huán)100次 后，其粘接強度為ll.OOMPa左右，熱循環(huán)對試樣的粘接性能幾乎沒有影響。 而隨著溫度的升高，雖然熱循環(huán)次數降低，但其粘接強度反而逐漸減低，特別 是當試樣在150(TC熱循環(huán)20次后其強度為5.4MPa，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，如圖5所示。

圖1.所示為本發(fā)明技術方案的實施步驟流程圖 圖2.所示為粘接劑制備的步驟流程3.所示為對C/C復合材料深度再生修復性能評價的試樣的示意4.所示為與粘接強度隨溫度變化的曲線示意5.所示為不同溫度熱震測試后的粘接強度柱狀示意6.所示為測試剪切性能測試示意中具體標號如下1. C/C復合材料母板 2. C/C復合材料子板粘接層3.粘接層 4.夾具 5.螺栓符號說明a. T為剪切強度，單位為兆帕(MPa);b. 化為C/C復合材料的剪切強度，單位為兆帕(MPa);c. Temperature為溫度，單位為攝氏度(°C);d. P表示載荷，單位是兆帕(MPa)。 單位說明
°c 攝氏度MPa 兆帕 K 開爾文 h 小時 wt.% 質量百分率具體實施例方式實施例一本發(fā)明一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術(1) C/C材料的表面處理粘接面的處理按照以下兩個步驟進行首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙打磨， 并且在粘接面上打磨出一些規(guī)則的細槽。然后將材料浸入無水乙醇內用超聲波 清洗機清洗，最后在80。C的環(huán)境下干燥4小時，以備粘接。(2) 高溫粘接劑的制備方法本發(fā)明中粘接劑由30wt，/。的有機硅樹脂，35wt。/。的低熔點填料(325~425 目)，15wt。/。的鋁粉(200 325目)，20wt,o/o硅粉(200 325目)和0.2wt.。/。的炭 纖維組成，其制備步驟如圖2所示。其中有機硅樹脂和低熔點填料是工業(yè)標準， 其他均是分析純標準。將混合好的粘接劑用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘 接劑的質量比為1:4的二甲苯以保證其較低的黏度。(3) 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C/C復合材料的粘接面上， 然后將C/C復合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內使其在真空環(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80(TC的溫度對材料進行高溫熱處理4小時。(4) 性能評價方法本發(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，在氮氣保護下分別于 40(TC至170(TC保溫4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溫度達到所要的溫度時(分別是700°C， 900 °C， 1000°C， 1100°C， 1200°C， 1300°C, 140(TC和1500°C)，將試樣放入爐內并放置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)100， 100， 100， 80， 60， 40和20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。 試樣的剪切性能測試按照圖6所示進行。圖中試樣由一對石墨夾具支撐， 并由兩個螺絲擰緊，但擰緊時必須保證試樣剛好能拔出。實施例二本發(fā)明一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術(1) C/C材料的表面處理粘接面的處理按照以下兩個步驟進行首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙打磨， 并且在粘接面上打磨出一些規(guī)則的細槽。然后將材料浸入無水乙醇內用超聲波 清洗機清洗，最后在80'C的環(huán)境下干燥4小時，以備粘接。(2) 高溫粘接劑的制備方法本發(fā)明中粘接劑由25wt。/。的有機硅樹脂，35wt。/。的低熔點填料(425目)， 25wt。/。的鋁粉(325目)，20wt。/。硅粉(325目)和0.2wt.。/。的炭纖維組成，其 制備步驟如圖2所示。其中有機硅樹脂和低熔點填料是工業(yè)標準，其他均是分 析純標準。將混合好的粘接劑用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑的質量 比為1:4的二甲苯以保證其較低的黏度。(3) 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C/C復合材料的粘接面上， 然后將C/C復合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內使其在真空環(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80(TC的溫度對材料進行高溫熱處理4小時。(4) 性能評價方法本發(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，在氮氣保護下分別于 40(TC至170(TC保溫4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 爐內溫度達到所要的溫度時(分別是700°C， 900 °C， IOO(TC， 1100°C, 1200°C， 1300°C， 140(TC和1500°C)，將試樣放入爐內并放置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)100， 100， 100， 80， 60， 40和20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。 試樣的剪切性能測試按照圖6所示進行。圖中試樣由一對石墨夾具支撐， 并由兩個螺絲擰緊，但擰緊時必須保證試樣剛好能拔出。實施例三本發(fā)明一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術(1) C/C材料的表面處理粘接面的處理按照以下兩個步驟進行首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙打磨， 并且在粘接面上打磨出一些規(guī)則的細槽。然后將材料浸入無水乙醇內用超聲波 清洗機清洗，最后在8(TC的環(huán)境下干燥4小時，以備粘接。(2) 高溫粘接劑的制備方法本發(fā)明中粘接劑由30wt。/。的有機硅樹脂，35wt。/。的低熔點填料(425目)， 15wt。/。的鋁粉(325目)，20wt。/。硅粉(325目)和0.4wt.。/。的炭纖維組成，其 制備步驟如圖2所示。其中有機硅樹脂和低熔點填料是工業(yè)標準，其他均是分 析純標準。將混合好的粘接劑用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑的質量 比為1:4的二甲苯以保證其較低的黏度。(3) 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C/C復合材料的粘接面上， 然后將C/C復合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內使其在真空環(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80(TC的溫度對材料進行高溫熱處理4小時。 (4)性能評價方法本發(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，在氮氣保護下分別于40(TC至170(TC保溫4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 爐內溫度達到所要的溫度時(分別是700°C， 900 °C， IOO(TC， IIO(TC， 1200°C， 1300°C， 140(TC和1500°C)，將試樣放入爐內并放置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)100， 100， 100， 80， 60， 40和20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。 試樣的剪切性能測試按照圖6所示進行。圖中試樣由一對石墨夾具支撐， 并由兩個螺絲擰緊，但擰緊時必須保證試樣剛好能拔出。實施例四本發(fā)明一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術(1) C/C材料的表面處理粘接面的處理按照以下兩個步驟進行首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙打磨， 并且在粘接面上打磨出一些規(guī)則的細槽。然后將材料浸入無水乙醇內用超聲波 清洗機清洗，最后在80'C的環(huán)境下干燥4小時，以備粘接。(2) 高溫粘接劑的制備方法本發(fā)明中粘接劑由30wt /。的有機硅樹脂，35wt。/。的低熔點填料(425目)， 15wt。/。的鋁粉(325目)，20wt。/。硅粉(325目)和0.2wt.。/。的炭纖維組成，其 制備步驟如圖2所示。其中有機硅樹脂和低熔點填料是工業(yè)標準，其他均是分 析純標準。將混合好的粘接劑用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑的質量 比為1:4的二甲苯以保證其較低的黏度。(3) 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C/C復合材料的粘接面上， 然后將C/C復合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內使其在真空環(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IOO(TC的溫度對材料進行高溫熱處理4小時。 (4)性能評價方法
技術領域：
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，在氮氣保護下分別于40(TC至17(KTC保溫4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 爐內溫度達到所要的溫度時(分別是700°C， 900 °C， 1000°C， ll(XTC， 1200°C， 1300°C, 140(TC和1500°C)，將試樣放入爐內并放置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)100， 100， 100， 80， 60， 40和20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。 試樣的剪切性能測試按照圖6所示進行。圖中試樣由一對石墨夾具支撐， 并由兩個螺絲擰緊，但擰緊時必須保證試樣剛好能拔出。實施例五本發(fā)明一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術(1) C/C材料的表面處理粘接面的處理按照以下兩個步驟進行首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙打磨， 并且在粘接面上打磨出一些規(guī)則的細槽。然后將材料浸入無水乙醇內用超聲波清洗機清洗，最后在8(TC的環(huán)境下干燥4小時，以備粘接。(2) 高溫粘接劑的制備方法本發(fā)明中粘接劑由30wt。/。的有機硅樹脂，35wtn/。的低熔點填料(425目)， 15wt.。/。的鋁粉(325目)，20wty。硅粉(325目)和0.2wt.。/。的炭纖維組成，其 制備步驟如圖2所示。其中有機硅樹脂和低熔點填料是工業(yè)標準，其他均是分 析純標準。將混合好的粘接劑用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘接劑的質量 比為l:4的二甲苯以保證其較低的黏度。(3) 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C/C復合材料的粘接面上， 然后將C/C復合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內使其在真空環(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5(TC/小 時地升溫速度加熱，最后在1200'C的溫度對材料進行高溫熱處理4小時。(4)性能評價方法本發(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，在氮氣保護下分別于40(TC至170(TC保溫4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 爐內溫度達到所要的溫度時(分別是700°C， 900 °C， IOO(TC， IIO(TC， 1200°C， 1300°C， 140(TC和1500°C)，將試樣放入爐內并放置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)100， 100, 100， 80， 60， 40和20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。 試樣的剪切性能測試按照圖6所示進行。圖中試樣由一對石墨夾具支撐， 并由兩個螺絲擰緊，但擰緊時必須保證試樣剛好能拔出。
權利要求
1、本發(fā)明一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，其特征在于該技術包含以下三部分工藝C/C復合材料的表面處理工藝、高溫粘接劑的制備工藝和粘接固化及高溫熱處理工藝(1)C/C復合材料的表面處理工藝粘接面的處理按照以下兩個步驟進行首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙將粘接面打磨平整，并且在粘接面加工出一些規(guī)則的細槽，然后，將材料浸入無水乙醇內用超聲波清洗機清洗2小時，最后在80℃的環(huán)境下干燥4小時；(2)高溫粘接劑的制備工藝本發(fā)明中粘接劑由30-35wt.％的有機硅樹脂，30-35wt.％的低熔點填料，20-25wt.％的鋁粉，15-20wt.％硅粉和0.1-0.5wt.％的炭纖維混合而成；(3)粘接固化及高溫熱處理工藝將粘接劑均勻地涂覆在C/C復合材料的粘接面上，然后將C/C復合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內使其在真空環(huán)境下300℃固化3小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力，然后在700℃-1200℃高溫熱處理4小時。
2、 根據權利要求1所述的一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，其特 征在于該工藝(2)是將混合好的粘接劑用攪拌器攪拌2小時，其間加入與粘 接劑(該字為代理人添加)的質量比為l:4的二甲苯以保證其較低的黏度。
3、 根據權利要求1所述的一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，其特 征在于該高溫粘接劑中，有機硅樹脂、低熔點填料和炭纖維是工業(yè)標準，而 鋁粉和硅粉是分析純標準。
4、 根據權利要求1所述的一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，其特 征在于該低熔點填料的熔點為600-80(TC、粒度為325 425目。
5、 根據權利要求1所述的一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，其特 征在于該鋁粉的粒度為200 325目。
6、 根據權利要求1所述的一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，其特 征在于硅粉的粒度為200-325目。
7、 根據權利要求1所述的一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，其特 征在于炭纖維的牌號是T800。
全文摘要
本發(fā)明提供一種炭/炭復合材料的深度再生修復技術，該技術包含以下三部分(1)C/C復合材料的表面處理首先，粘接面用剛玉粗砂砂紙將粘接面打磨平整，并在粘接面加工出一些規(guī)則的細槽，然后，將材料浸入無水乙醇內用超聲波清洗機清洗2小時，最后在80℃的環(huán)境下干燥4小時；(2)高溫粘接劑的制備粘接劑由30-35wt.％的有機硅樹脂，30-35wt.％的低熔點填料，20-25wt.％的鋁粉，15-20wt.％硅粉和0.1-0.5wt.％的炭纖維混合而成；(3)粘接固化及高溫熱處理工藝將粘接劑均勻地涂覆在C/C復合材料的粘接面上，然后將C/C復合材料粘接在一起，最后其放入高真空碳管爐內使其在真空環(huán)境下300℃固化3小時，在固化期間給材料施加2.5MPa的壓力，然后在700℃-1200℃高溫熱處理4小時。
文檔編號C04B37/00GK101157566SQ20071012176
公開日2008年4月9日 申請日期2007年9月13日 優(yōu)先權日2007年9月13日
發(fā)明者軍 李, 晨 林, 羅瑞盈 申請人:北京航空航天大學