[发明专利]基于长棒状预制体结构的陶瓷基复合材料螺栓及销钉制备方法

权利要求书

1.一种基于长棒状预制体结构的陶瓷基复合材料螺栓制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：预制体设计；

步骤1.1、设计纤维预制体结构；

纤维预制体由芯体结构与包层结构构成，芯体结构为由多根纤维束同向排布而成的圆柱体；包层结构为采用编织方法包裹在芯体结构外周面的筒状纤维束编织层；

步骤1.2、确定纤维预制体的尺寸；

按照陶瓷基复合材料螺栓尺寸要求，确定纤维预制体的尺寸；针对小径为d mm，大径为D mm的螺栓，确定纤维预制体的芯体结构直径为d-x mm，包层结构内径为d-x mm，包层外径为D+y mm；其中x、y取值为保证在包层结构加工螺纹时不损伤芯体结构；

步骤1.3、根据纤维束直径计算芯体结构与包层所需纤维束数量；

步骤2、制备芯体结构；

步骤2.1、准备长度为L mm的纤维束，采用长度为L-z mm，直径为D-x mm的圆棒作为集束模具，其中z为捆扎端头的约束余量；将多根纤维束以每根纤维束沿圆棒的轴向延伸，多根纤维束沿圆棒的周向紧密排布的方式分散到圆棒表面，直至包裹整根圆棒；

步骤2.2、将超出圆棒端面的纤维集束的一端用纤维束捆扎，然后去除圆棒，再拉直所有纤维束，用纤维束捆扎另一端；

步骤2.3、保持纤维束张力，用熔融玻璃丝按螺旋方向捆绑，形成单向纤维集束的芯体结构，并保持拉直状态；

步骤3：编制包层结构；

在芯体结构保持拉直的状态下，采用编织方法在其外周面编织纤维束包层，设置纤维束编织张力，使得芯体结构受到包层结构的压应力；

步骤4：缝合芯体和包层结构，获得棒状预制体；

采用熔融玻璃丝，在金属针的引导下，沿步骤3获得的预制体横截面的0度和90度方向各进行一次缝合，之后沿轴向间隔设定长度后继续沿横截面的0度和90度方向各进行一次缝合，重复上述缝合步骤，最终形成包层为筒状纤维束编织层结构，芯体为多根纤维束同向排布而成的圆柱体结构的棒状预制体；

步骤5：制备界面层；

将棒状预制体安装在带孔石墨工装内，利用化学气相渗透法在棒状预制体的表面制备热解碳或氮化硼界面层；

步骤6：基体致密化；

利用化学气相渗透法或熔体渗透法的一种或多种组合，在制备了界面层的棒状预制体内部制备陶瓷基体；

根据螺栓长度要求，采用刀具将致密化后棒状预制体切成一定长度的分段棒材；

步骤7：螺纹加工；

采用磨床磨削分段棒材外圆，直至棒材外径等于螺栓大径D；采用刀具，对外圆合格的分段棒材按照螺栓外螺纹的要求加工至合格尺寸；其中，仅在包层结构内加工外螺纹；

步骤8：制备涂层；

采用化学气相沉积法，在外螺纹加工完毕的螺栓表面制备陶瓷涂层，完成陶瓷基复合材料螺栓制备。

2.根据权利要求1所述的基于长棒状预制体结构的陶瓷基复合材料螺栓制备方法，其特征在于：步骤1.2中x、y取值范围为1～2mm；步骤2.1中，z的取值范围为10～30mm；步骤4中的设定长度为10mm。

3.根据权利要求2所述的基于长棒状预制体结构的陶瓷基复合材料螺栓制备方法，其特征在于：

步骤1.1中纤维预制体采用的纤维为碳纤维、碳化硅纤维和氮化硅纤维中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求3所述的基于长棒状预制体结构的陶瓷基复合材料螺栓制备方法，其特征在于：

步骤2.3中，芯体结构中纤维为碳纤维，芯体结构中碳纤维占整个圆柱体芯体结构的体积分数为40～60％；

或，芯体结构中纤维为碳化硅纤维，芯体结构中碳化硅纤维占整个芯体结构圆柱体的体积分数为30～50％；

或，芯体结构中纤维为氮化硅纤维，芯体结构中氮化硅纤维占整个芯体结构圆柱体的体积分数为30～50％；

步骤3中，包层结构中纤维为碳纤维，包层结构中碳纤维占筒状纤维束编织层的体积分数为30～50％；

或，包层结构中纤维为碳化硅纤维，包层结构中碳化硅纤维占筒状纤维束编织层的体积分数为20～40％；

或，包层结构中纤维为氮化硅纤维，包层结构中氮化硅纤维占筒状纤维束编织层的体积分数为20～40％。