[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

说明书

本发明公开了一种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，用于解决2D和3DN螺栓螺纹牙非均匀承载问题。首先将纤维预制体设计为单向纤维集束而成的芯体结构和纤维束编织而成的包层结构。然后确定包层和芯体的纤维束数量，将单向纤维束均匀分布形成集束结构，并采用熔融玻璃丝按螺旋方向捆绑。之后采用编织方法在其表面编织纤维束包层，使得芯体单向纤维集束预制体受压应力。采用细熔融玻璃丝缝合芯体和包层预制体，形成棒状预制体。再制备界面相与陶瓷基体。最后在包层区域加工出高精度螺纹，并制备保护涂层，获得目标产品。本发明适用于大批量低成本生产陶瓷基复合材料螺栓。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料螺栓制备方法，特别涉及一种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。

背景技术

耐高温复杂薄壁构件制备技术是航空、航天发动机和空天飞行器内外热防护系统等领域的重要发展方向。连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC，包括C/SiC和SiC/SiC)具有优异力学特性，如高比强、高比模、高韧性、对缺口不敏感和对裂纹不敏感等，且可满足1650℃以下长寿命、2000℃以下有限寿命和2800℃以下瞬时寿命的使用要求，成为当前耐高温复杂薄壁构件的首选材料。因此，发展CMC-SiC复杂薄壁构件制备技术势在必行。制备CMC-SiC复杂薄壁构件主要有两种成型工艺：纤维整体编织成型和组合装配成型，前者适用于轴对称壳结构，后者适用于外形不规则薄壁结构。由于CMC-SiC薄壁构件通常具有不规则外形，故当前研究主要致力于发展组合装配成型技术。CMC-SiC具有非线性力学行为、较大的力学性能分散性和较低的剪切强度，导致研制CMC-SiC复杂薄壁构件存在很多技术问题。其中，CMC-SiC机械连接问题首当其冲，国内外公认CMC-SiC紧固件制备技术是关键技术，需建立CMC-SiC机械连接结构设计准则。

中国发明专利CN 101265935A公开了一种0/90正铺层和±θ斜铺层交替叠层二维碳/碳化硅复合材料螺栓制备方法。该方法公开的螺栓预制体是一种二维(2D)叠层碳纤维布，采用石墨平板将2D预制体夹持和定型。

文献“郝秉磊等，C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的振动响应特性及防松性能，复合材料学报，2014，31(3):653-660”公开了一种三维针刺C/SiC双头螺栓的制备方法。该方法公开的螺栓预制体是一种0°和90°无纬布交替叠层，0/90叠层布之间为碳毡布，该叠层预制体经穿刺缝合形成三维针刺预制体(3DN)。

中国发明专利CN 109678549 A公开了一种均匀承载的陶瓷基复合材料销钉制备方法。该方法公开了一种包层纤维锭围绕芯层纤维束交叉缠绕形成皮-芯结构销钉预制体结构。

研究表明，上述的2D和3DN螺栓连接主要有螺柱断裂和螺纹牙断齿两种失效模式，当螺纹牙断齿失效时，一般未造成螺柱拉断，这表明螺栓连接强度取决于螺纹牙强度，故在确保螺柱强度的同时显著提高螺纹牙强度是研制新型高性能CMC-SiC螺栓的关键。当前2D和3DN螺栓螺纹牙内纤维增强体方向取决于2D和3DN预制体结构，导致其部分螺纹牙受层间剪切强度影响易发生断齿，剩余螺纹牙承载全部载荷导致螺纹连接强度下降。发展新型螺纹预制体，使纤维增强体在螺纹牙内均匀分布，实现所有螺纹牙均匀承载是提高CMC-SiC螺纹连接强度的关键。

发明内容

为了解决目前CMC-SiC机械连接所采用2D和3DN螺栓因螺纹牙非均匀承载而导致部分螺纹牙易发生断齿的问题，实现螺柱强度和螺纹牙强度协同提升，本发明提出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。

实现螺柱强度和螺纹牙强度协同提升的关键在于CMC-SiC螺栓预制体的结构设计，因此，本发明通过设计包层预制体结构使螺纹牙内纤维增强体均匀分布，设计芯体单向纤维集束结构提高螺柱内纤维体积分数，再通过制备界面相、基体和涂层，进而制备出高性能的陶瓷基复合材料螺栓。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供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，其特殊之处在于，包括以下步骤：