[发明专利]一种碳纤维增强碳化硅复合材料螺钉的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机非金属材料螺钉的制备方法，尤其涉及一种碳纤维增强碳化硅复合材料螺钉的制备方法。

背景技术

碳纤维增强碳化硅复合材料（Carbon fiber reinforced silicon carbide matrix composite,C/SiC）具有高温抗氧化、高比强度、高比刚度、高硬度和耐磨性好等优异性能，作为防热结构件被广泛用于航天飞行器的热防护系统。然而，对于大尺寸和复杂形状构件，采用化学气相渗透/沉积（Chemical Vapor Infiltration and Deposition，CVI/CVD）、先驱体浸渍裂解（Precursor Infiltration and Pyrolysis，PIP）、热压烧结及反应熔渗等常用工艺都难以直接成型和制备。因此，高温连接技术成为制约C/SiC复合材料进一步广泛应用的瓶颈。

机械连接作为传统的连接方式，操作简单，性能可靠，但航天飞行器飞行条件十分恶劣，再入大气层时与空气发生摩擦，头锥、机翼前缘和机身襟翼表面最高温度可达到1650℃，传统的高温紧固件材料如高温合金、石墨及C/C复合材料由于耐温性、强度、高温抗氧化性的不足已经难以满足应用需求。C/SiC陶瓷基复合材料具有一系列优异性能，如果制备成螺钉等高温紧固件可以很好地满足航空航天领域对高温防热构件的使用要求。

和金属螺纹加工相比，由于C/SiC复合材料特有的脆性和高硬度，加工难度增大，且容易导致崩牙现象，传统的车削、板牙、搓丝机等加工方式已无法使用，必须寻找适宜陶瓷特性的新的螺纹加工方式。目前，文献“Whale,Eric.Ceramic fasteners for high temperature application.Materials Technology 2000,15(4):276-281”公布了一种采用化学气相沉积工艺制备二维C/SiC复合材料螺钉的方法，该方法主要包括以下步骤：（1）先用碳纤维进行0/90°正铺和±45°斜铺，再将0/90°正铺纤维和±45°斜铺纤维交替叠层制备碳纤维预制件；（2）采用CVI工艺在预制体上沉积SiC基体，获得致密的C/SiC复合材料板材；（3）将致密的C/SiC复合材料板材切割成螺钉毛坯，并采用金刚石砂轮加工外螺纹。该方法制备的二维C/SiC复合材料螺钉室温拉伸断裂强度为180~190MPa，其不足在于螺纹加工时机是在CVI工艺沉积SiC完成之后进行的，C/SiC复合材料硬度高，加工出来的螺纹牙质量难以保证，同时金刚石砂轮磨损较快，既降低了效率又提高了加工成本。中国发明专利“梅辉，陶瓷基复合材料螺栓的制备方法，西北工业大学，2008，CN101265935A”对C/SiC复合材料螺钉加工方法进行了改进，其主要步骤包括：（1）用1K碳纤维进行0/90°正铺和±θ（0°≤θ≤90°）斜铺，制备二维碳纤维预制件；（2）采用CVI工艺在预制体上沉积热解碳界面层，然后在沉积有热解碳界面层的二维板材上沉积SiC基体，获得未完全致密的半成品C/SiC复合材料板材；（3）将半成品C/SiC复合材料板材切割成螺钉毛坯，利用金刚石砂轮，配合螺母在螺钉毛坯上攻丝，形成半成品螺钉；（4）将半成品螺钉多次浸渍裂解聚碳硅烷后，进行1400~1600℃热处理；（5）采用CVI工艺沉积SiC抗氧化涂层，得到成品C/SiC复合材料螺钉。该方法制备的二维C/SiC复合材料螺钉室温拉伸断裂强度为210~230MPa，但该文献未公布螺钉室温剪切断裂强度，和前一文献相比该发明主要改进之处是在未完全致密的半成品C/SiC复合材料板材上进行螺纹加工，加工出来的螺纹质量有较大提高，同时因为减缓了金刚石砂轮的磨损，提高了加工效率并降低了经济成本。综合这两篇文献，一个显著的共同点是螺纹加工方法都采用金刚石砂轮磨削方式，金刚石砂轮是由很多细小的高硬度金刚石磨粒烧结而成的，在每颗磨粒上都有锋利的刃锋，从而形成整个砂轮有无数切削刃的多刃刀具。在磨削时，砂轮高速旋转，砂轮磨粒的刃口将被磨工件表面不断地切除。由于磨削螺纹时砂轮与工件的挤压力更小，且表面精度要高，所以其螺纹质量和传统的加工方式相比明显要好些。然而，从文献报道的实物照片来看，尽管螺纹质量有一定提高，但螺纹崩牙问题仍没有得到很好地解决，而螺纹牙质量不高势必会影响到螺钉的力学性能及工程应用的可靠性。

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，提供一种碳纤维增强碳化硅复合材料螺钉的制备方法，该方法能够明显改善C/SiC复合材料螺钉螺纹牙质量，且工艺简单、成本低。