[发明专利]C/SiC陶瓷基复合材料弹簧及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热防护系统高温密封技术领域，尤其涉及一种耐高温弹簧及其制备方法。

背景技术

高超声速飞行器飞行速度在6Ma以上，飞行过程中防热面板内外压差大，表面温度高（>1500℃）。热防护系由多块防热面板镶嵌在飞行器表面构成，为防止高温气流向内部传递，面板之间需进行高温密封。采用耐高温性能优异的C/SiC复合材料垫片实现高温密封是一种很好的密封方法，但是这种方法存在垫片的压缩性和回弹性不够的问题，因此可采用高温弹簧对陶瓷密封垫片施加预紧力以实现密封结构的压缩与回弹。这种陶瓷片密封结构对高温弹簧提出了耐高温（>1200℃）、抗氧化、抗热震、使用可靠性高等要求。

目前，使用和研究较多的高温弹簧包括耐高温金属弹簧、以Si₃N₄为基质的陶瓷弹簧和C/C复合材料弹簧。耐高温金属弹簧最高使用温度为900℃，且价格昂贵。如美国开发的Inconel X750耐高温弹簧可耐温600℃，Nimoni90耐温也仅为700℃，当使用温度超过1000℃时，金属材料抗氧化性能差，存在高温蠕变和应力松弛，无法满足应用要求。日本发条株式会社（NHK）开发出了部分稳定氧化锆、Si₃N₄为基质的陶瓷弹簧制品，最高使用温度分别达到800℃和1200℃。国内南京工业大学也进行了纳米改性部分稳定ZrO₂（PSZ）陶瓷弹簧的制备，但是陶瓷弹簧的陶瓷材料硬度大，加工制备困难，使用可靠性低。日本阿克罗斯公司开发的C/C复合材料弹簧具有轻质、高强度、高模量和优良的弹簧特性，但C/C复合材料在高温下抗氧化性能显著下降，限制了其在氧化性气氛中的使用。

针对热防护系统高温密封对耐高温弹簧的迫切需求，需要开发一种更好的高温弹簧，以便为解决航天领域的高温密封技术难题提供技术支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种耐高温（1200℃以上）、耐腐蚀、抗氧化、具有良好力学性能的C/SiC陶瓷基复合材料弹簧，还相应提供一种工艺简单、设备要求简单、周期短、成本低、能实现产品净成型的C/SiC陶瓷基复合材料弹簧的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种C/SiC陶瓷基复合材料弹簧，其特征在于：所述弹簧是以碳化硅为基体，以体积分数为30%～45%的碳纤维作为增强相，所述弹簧的表面沉积有SiC涂层；室温下所述弹簧的刚度达到3.5N/mm～8N/mm，且在800℃～1200℃的空气中刚度保留率为70%～85%。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种C/SiC陶瓷基复合材料弹簧的制备方法，包括以下步骤：

（1）弹簧预制件的成型：将合股后的碳纤维（例如8～30束碳纤维以集束加捻或编织方式合股）加入到树脂体系中进行浸渍，将浸渍后的碳纤维预制件在石蜡模具或（由聚合物和陶瓷粉组成的）水溶性模具上缠绕成型（模具直径一般为8mm～20mm），室温下交联固化得到弹簧预制件；

（2）弹簧粗坯的成型：利用熔模/溶模法，将成型于所述石蜡模具上的弹簧预制件加热至80℃～150℃使石蜡模具熔融、除去，或者将成型于所述水溶性模具（由聚合物和陶瓷粉组成）上的弹簧预制件置于40℃～70℃的水中溶解除去水溶性模具，然后将脱模后的弹簧预制件套设在一石墨模具（与前述模具直径相同）上，并在900℃～1400℃温度下使所述树脂体系裂解，得到弹簧粗坯（丝径一般为1mm～6mm）；

（3）弹簧致密化：将上述的弹簧粗坯置于聚碳硅烷-二甲苯体系（PCS/xylene）或聚碳硅烷-二乙烯基苯体系（PCS/DVB）中真空浸渍，然后在900℃～1400℃温度下裂解，重复本步骤的浸渍-裂解工艺多个周期直至完成致密化，对表面进行清理后制得表面光滑的弹簧半成品；

（4）弹簧表面抗氧化处理：以三氯甲基硅烷（MTS）或液态聚硅烷等物质为先驱体，采用化学气相沉积工艺在所述弹簧半成品表面沉积SiC涂层，最后制备得到C/SiC陶瓷基复合材料弹簧成品。

上述的C/SiC陶瓷基复合材料弹簧的制备方法中，所述步骤（1）中的树脂体系主要用于弹簧定型，其优选为聚碳硅烷-二乙烯基苯溶液、环氧树脂-丙酮溶液或者酚醛树脂-乙醇溶液，所述树脂体系中还优选含有固化剂。