3D针刺C∕SiC复合材料螺栓的低成本制备及力学性能

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252013V01．34No．71724．1730ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．CR3D针刺C／SiC复合材料螺栓的低成本制备及力学性能刘杰1’2，李海滨1，刘小瀛3’*1．西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安7100722．西安鑫壶陶瓷复合材料有限公司，陕西西安7100893．西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室，

2、陕西西安710072摘要：以三维针刺碳毡作为预制体，通过化学气相渗透(CVI)工艺，制备了密度约为1．50～1．60g／cm3的半成品c／SiC复合材料板材，然后采用专用磨具在半成品复合材料板上按照指定的取样方式切割出螺杆与头部毛坯，并分别对螺杆和头部攻丝，将两者装配在一起形成半成品螺栓，对半成品螺栓CVI致密化并在其表面制备SiC抗氧化涂层，制备出低成本的3D针刺C／SiC复合材料螺栓。提出了C／SiC复合材料螺栓力学性能的测试方法，通过自行设计的夹具，对所制备螺栓的力学性能进行了测试表征，并利用扫描电子显微镜(S

3、EM)，对C／SiC复合材料螺栓的拉伸断口形貌进行了观测。结果表明，所制备的螺栓具有较好的抗拉和抗剪能力，室温下螺栓的抗拉强度和剪切强度分别为151．7MPa和85．6MPa。关键词：三维针刺；C／SiC；螺栓；制备；力学性能；化学气相渗透法中图分类号：V261．97；TB332文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)07—1724—07碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(c／SiC)，具有耐高温、低密度、高比强、抗氧化性好、耐腐蚀和不发生灾难性损毁等优点，在航空发动机热端部件、航天飞机热防护系统(Ther

4、malPro—tectionSystem，TPS)和火箭发动机喷管等领域有广泛的应用前景[1。2]。但是由于C／SiC复合材料编织工艺的限制，实现大型、精密、复杂构件十分困难[3。4]。因此，研究开发可靠的连接技术，对c／sic复合材料的应用具有重要意义。C／SiC复合材料的连接方法大体可以分为3类：粘接、焊接和机械连接。螺栓连接具有简单可靠且可重复拆卸的优点，是一种应用较广的机械连接方式。目前，国内外学者对金属螺栓、陶瓷螺栓和c／c复合材料螺栓进行了大量研究[5。9]，研究结果表明：金属螺栓连接强度高，但是金属热膨

5、胀系数大且使用温度很低；虽然陶瓷材料螺栓能够解决金属螺栓热膨胀和c／sic材料不匹配及使用温度低的缺点，但是由于陶瓷材料比较脆，承载能力比较差，基本不能用于高温连接；c／c复合材料螺栓螺母可以克服陶瓷材料易碎的缺点，但是高温氧化能力差。由于以上材料的不足，需要采用新材料解决问题。c／sic复合材料螺栓使用温度可以达到1600℃以上，克服了现有螺栓的缺点，能够适应航天技术对超高温构件的使用要求‘1¨2

6、。C／SiC复合材料常用的碳纤维预制体结构主收稿日期：2012．08．30；退修日期：2012—10-12；录用日期：

7、2012-11—29；网络出版时间：2012-12—2610：09网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20121226．1009．001．htmI基金项目：国家自然科学基金(51032006，50820145202)*通讯作者．Tel．：029—88460403E-mail：liuxiaoyin95958@nwpu．edu．crl≥

8、用格武

9、LiuJ，LlHB。LiuxY，Lowcostpreparationandmechanicalpropertyofthree-di

10、mensionalneedledc／sicbolts．ActaAeronauti-CaetAstronauticaSinica．2013。34(7)：1724—1730。弼杰．李海滨．訇j小瀛．3D钟裁c／sic复合槠耩爆挂钩低藏奉裁备及力学性能．航空学报，2013，34(7)：1724—1730．刘杰等：3D针刺C／SiC复合材料螺栓的低成本制备及力学性能要有2D和3D两种。2D编织c／sic复合材料纤维预制体结构简单，制造成本低，但是层间剪切强度低。3D编织c／sic复合材料的突出优点是提高了层间剪切强度，但是各

11、向异性明显，且预制体编织复杂，制造成本高[11’”]。3D针刺碳纤维预制体是近年来发展的一种新型的准3D增强体结构，这种结构不仅提高了材料的层间剪切强度和抗机械剥蚀性能，克服了2Dc／sic材料易分层的缺陷，而且简化了纤维预制体的制造工艺，降低了制造成本[11’14]。目前，国内外已对2DC／SiC复合材料螺栓的制备方法有了一定的研究，而关于3