一种改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法

摘要

提供一种改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法，包括以下步骤：（1）制备二维碳纤维平纹编织预制体；（2）采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z-pin构件；（3）在二维碳纤维平纹编织预制体上按照一定分布规律配钻斜置孔洞；（4）将碳纤维Z-pin构件斜置嵌入二维碳纤维平纹编织预制体的斜置孔洞中；（5）用CVI工艺沉积带碳纤维Z-pin构件的二维碳纤维平纹编织预制体，使其致密化，获得二维陶瓷基复合材料板；（6）对碳纤维Z-pin构件部位进行加工修整。本发明通过将碳纤维Z-pin构件按照一定规律分布斜置植入从而使其连接剪切受载转化成挤压受载与剪切受载的组合，更有效增强二维陶瓷基复合材料Z向强度，抑制分层破坏。

权利要求

1.一种改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）制备二维碳纤维平纹编织预制体；

（2）采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z-pin构件，经升温模具固化、裁剪加工，得到设计长度和直径的碳纤维Z-pin构件；

（3）在二维碳纤维平纹编织预制体上配钻斜置孔洞，斜置孔洞在二维碳纤维平纹编织预制体上的分布规律如下：定义斜置孔洞轴向与二维碳纤维平纹编织预制体法向的夹角为斜置角θ，以二维碳纤维平纹编织预制体下表面中心为坐标系原点O，下表面为XOY平面，由XOY平面竖直向上为+Z轴，第1-4卦限中各有N个平行的斜置孔洞，每个卦限中相邻的斜置孔洞在XOY平面上的中心之间的距离相等，该距离与离原点O最近的第一个斜置孔洞在XOY平面上的中心与原点O之间的距离相等，第一卦限和第三卦限中的N个平行的斜置孔洞的方向余弦为（cosα，cosβ，cosθ），第二卦限和第四卦限中的N个平行的斜置孔洞

2 2 2

的方向余弦为（cosα，-cosβ，cosθ），其中cosα+cosβ+cosθ=1，15°≤θ≤45°；

（4）将碳纤维Z-pin构件斜置嵌入二维碳纤维平纹编织预制体的斜置孔洞中；

（5）采用CVI工艺沉积带碳纤维Z-pin构件的二维碳纤维平纹编织预制体，使其致密化，获得二维陶瓷基复合材料板；

（6）对碳纤维Z-pin构件部位进行加工和修整：除去碳纤维Z-pin构件多余部分，使碳纤维Z-pin构件与二维陶瓷基复合材料板外表面平齐；然后采用CVI工艺在二维陶瓷基复合材料板外表面制备SiC涂层，对碳纤维Z-pin构件部位进行覆盖和保护。

2.根据权利要求1所述的改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法，其特征在于：所述碳纤维Z-pin构件的直径为0.2-1.0mm。

3.根据权利要求1或2所述的改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法，其特征在于：所述斜置孔洞的体积占二维碳纤维平纹编织预制体体积的0.5%～4%，通过该体积分数确定N值。

4.根据权利要求3所述的改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法，其特征在于：所述斜置孔洞的体积占二维碳纤维平纹编织预制体体积的1%～2.5%，通过该体积分数确定N值。

5.根据权利要求1所述的改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法，其特征在于：所述CVI工艺参数为：温度控制在800～1100℃，压力为1～10kPa，沉积时间约100h。

6.根据权利要求5所述的改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法，其特征在于：所述CVI工艺参数为：温度控制在1000℃，压力为5kPa，沉积时间约100h。

说明书

一种改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法

技术领域

[0001] 本发明属于复合材料Z-pin（即Z向增强）技术领域。具体涉及一种热-声-振复合动力学环境下二维C/SiC陶瓷基复合材料改进的Z-pin方法。

背景技术

[0002] 陶 瓷 基 复 合 材 料（CeramicMatrixComposite,CMC）具 有 耐 高 温、高 比强度、高比刚度、热稳定性好等优点，成为高超声速飞行器热防护系统（Thermal ProtectionSystem,TPS）和热结构（Thermal-structure）的理想材料。飞行器结构一般设计成薄壁加筋板壳结构，二维编织陶瓷基复合材料层压板较三维编织复合材料更适合于此类结构。作为目前高超声速飞行器防热与承力一体化结构的主要材料，二维C/SiC平纹编织陶瓷基复合材料具有面内力学性能好、制备工艺简单、对设备要求低、能显著降低材料制备成本的优点。

[0003] 然而，传统工艺制备的二维C/SiC陶瓷基复合材料存在层间强度低的缺点，其主要失效模式是分层破坏，特别是对于高频噪声激励环境，横向惯性载荷量级巨大，分层失效严重，因此，Z向强度成为二维C/SiC陶瓷基复合材料大规模应用的制约因素。

[0004] 为克服层压板结构层间强度低、抗分层性能差的缺点，层间增强方法应运而生，其中以缝合和Z-pin技术最具代表。Z-pin技术的连接强度和可靠性较高，使用温度不受影响，能够将陶瓷基复合材料的制造过程与连接过程融为一体，不需要使用额外的连接设备与连接工艺；同时，相比螺栓连接，陶瓷基复合材料Z-pin直径较小（一般为0.2～1.0mm），对陶瓷基复合材料内部的纤维束破坏较小，整体陶瓷基复合材料板的面内性能也得到了最大程度的保护，此外，Z-pin的加工成本也远比陶瓷基复合材料螺栓低。因此，二维编织陶瓷基复合材料层压板Z-pin技术具有广阔的应用前景。

[0005] 现有垂直植入的二维编织陶瓷基复合材料Z-pin能够提高层间剪切强度，限制层与层的错动，并对分层起一定抑制作用，但在横向载荷工况下，由于CMC与Z-pin基体沉积面剪切承载，承载能力仍然较弱，Z-pin的性能没有得到充分发挥。为此，进一步改善Z-pin的承载形式，发挥其结构性能以提高CMC的Z向强度具有重要工程价值。

发明内容

[0006] 发明目的：本发明的目的在于针对现有垂直植入Z-pin方式无法充分发挥其力学性能的不足，提供一种二维陶瓷基复合材料Z向增强改进的Z-pin方法。

[0007] 技术方案：本发明所述的改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法，包括以下步骤：

[0008] （1）制备二维碳纤维平纹编织预制体；

[0009] （2）采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z-pin构件，经升温模具固化、裁剪加工，得到设计长度和直径的碳纤维Z-pin构件；

[0010] （3）在二维碳纤维平纹编织预制体上配钻斜置孔洞，斜置孔洞在二维碳纤维平纹编织预制体上的分布规律如下：定义斜置孔洞轴向与二维碳纤维平纹编织预制体法向的夹角为斜置角θ，以二维碳纤维平纹编织预制体下表面中心为坐标系原点O，下表面为XOY平面，由XOY平面竖直向上为+Z轴，第1-4卦限中各有N个平行的斜置孔洞，每个卦限中相邻的斜置孔洞在XOY平面上的中心之间的距离相等，该距离与离原点O最近的第一个斜置孔洞在XOY平面上的中心与原点O之间的距离相等，第一卦限和第三卦限中的N个平行的斜置孔洞的方向余弦为（cosα，cosβ，cosθ），第二卦限和第四卦限中的N个平行的斜置孔2 2 2
洞的方向余弦为（cosα，-cosβ，cosθ），其中cosα+cosβ+cosθ=1，θ=[15°,45°][0011] （4）将碳纤维Z-pin构件斜置嵌入二维碳纤维平纹编织预制体的斜置孔洞中；

[0012] （5）采用CVI工艺沉积带碳纤维Z-pin构件的二维碳纤维平纹编织预制体，使其致密化，获得二维陶瓷基复合材料板；

[0013] （6）对碳纤维Z-pin构件部位进行加工和修整：除去碳纤维Z-pin构件多余部分，使碳纤维Z-pin构件与二维陶瓷基复合材料板外表面平齐；然后采用CVI工艺在二维陶瓷基复合材料板外表面制备SiC涂层，对碳纤维Z-pin构件部位进行覆盖和保护。

[0014] 优选地，所述碳纤维Z-pin构件的直径为0.2-1.0mm。

[0015] 优选地，所述斜置孔洞的体积占二维碳纤维平纹编织预制体体积的0.5%～4%，通过该体积分数确定N值。更优选地，所述斜置孔洞的体积占二维碳纤维平纹编织预制体体积的1%～2.5%，通过该体积分数确定N值。

[0016] 优选地，所述二维碳纤维平纹编织预制体的体积分数为40%。

[0017] 优选地，采用等温化学气相渗透（Iso-thermalChemicalVaporInfiltration,ICVI）工艺：1）将二维碳纤维平纹编织预制体置于温度均匀且无强制气体流动的反应室内；2）以CH3SiCl3(MTS)为反应气体，H2为载气，Ar为稀释气体，通过扩散作用渗入到二维碳纤维平纹编织预制体内，在碳纤维表面发生化学反应并原位沉积。

[0018] 优选地，所述CVI工艺参数为：温度控制在800～1100℃，压力为1～10kPa，沉积时间约100h。更优选地，温度控制在1000℃，压力为5kPa，沉积时间约100h。

[0019] 本发明的有益效果为：1、本发明克服既有二维陶瓷基复合材料垂直植入Z-pin构件对提高复合材料薄板Z向强度效果有限的不足，通过将Z-pin构件按照一定的分布规律斜置植入从而使Z-pin构件连接剪切受载转化成挤压受载与剪切受载的组合，提高了二维陶瓷基复合材料的Z向强度；2、本发明有利于较大直径复合材料Z-pin构件的应用，将大大降低Z-pin构件发生断裂、拔出失效的概率；3、本发明不损失二维陶瓷基复合材料板层间剪切强度；4、本发明不影响飞行器气动外形。

[0020] 说明书附图

[0021] 图1为现有技术中二维陶瓷基复合材料板单个Z-pin构件植入方式示意图；

[0022] 图2为二维陶瓷基复合材料板单个Z-pin构件斜置植入方式示意图。

[0023] 图3为二维陶瓷基复合材料板4个Z-pin构件斜置植入方式示意图。

具体实施方式

[0024] 下面通过实施例的方式，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

[0025] 本发明所述的改进的二维陶瓷基复合材料Z-pin方法，包括以下步骤：

[0026] （1）制备二维碳纤维平纹编织预制体；

[0027] （2）采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z-pin构件，经升温模具固化、裁剪加工，得到设计长度和直径的碳纤维Z-pin构件；

[0028] （3）在二维碳纤维平纹编织预制体上配钻斜置孔洞，斜置孔洞在二维碳纤维平纹编织预制体上的分布规律如下：定义斜置孔洞轴向与二维碳纤维平纹编织预制体法向的夹角为斜置角θ，以二维碳纤维平纹编织预制体下表面中心为坐标系原点O，下表面为XOY平面，由XOY平面竖直向上为+Z轴，第1-4卦限中各有N个平行的斜置孔洞，每个卦限中相邻的斜置孔洞在XOY平面上的中心之间的距离相等，该距离与离原点O最近的第一个斜置孔洞在XOY平面上的中心与原点O之间的距离相等，第一卦限和第三卦限中的N个平行的斜置孔洞的方向余弦为（cosα，cosβ，cosθ），第二卦限和第四卦限中的N个平行的斜置孔2 2 2
洞的方向余弦为（cosα，-cosβ，cosθ），其中cosα+cosβ+cosθ=1，θ=[15°,45°]；

[0029] （4）将碳纤维Z-pin构件斜置嵌入二维碳纤维平纹编织预制体的斜置孔洞中；

[0030] （5）采用CVI工艺沉积带碳纤维Z-pin构件的二维碳纤维平纹编织预制体，使其致密化，获得二维陶瓷基复合材料板；

[0031] （6）对碳纤维Z-pin构件部位进行加工和修整：除去碳纤维Z-pin构件多余部分，使碳纤维Z-pin构件与二维陶瓷基复合材料板外表面平齐；然后采用CVI工艺在二维陶瓷基复合材料板外表面制备SiC涂层，对碳纤维Z-pin构件部位进行覆盖和保护。

[0032] 所述碳纤维Z-pin构件的直径为0.2-1.0mm。

[0033] 所述斜置孔洞的体积占二维碳纤维平纹编织预制体体积的0.5%～4%，通过该体积分数确定N值。

[0034] 所述CVI工艺参数为：温度控制在800～1100℃，压力为1～10kPa，沉积时间约100h。

[0035] 实施例1

[0036] （1）制备二维碳纤维平纹编织预制体，预制体尺寸为50×50×5mm3；

[0037] （2）采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z-pin构件，经升温模具固化、裁剪加工，得到设计长度和直径（0.2～1.0mm）的碳纤维Z-pin构件（用1k碳纤维制备直径为0.28mm的碳纤维Z-pin构件，用3k碳纤维制备直径为0.50mm的碳纤维Z-pin构件；

[0038] （3）在二维碳纤维平纹编织预制体上配钻斜置孔洞，斜置孔洞在二维碳纤维平纹编织预制体上的分布规律如下：定义斜置孔洞轴向与二维碳纤维平纹编织预制体法向的夹角为斜置角θ，以二维碳纤维平纹编织预制体下表面中心为坐标系原点O，下表面为XOY平面，由XOY平面竖直向上为+Z轴，第1-4卦限中各有N个平行的斜置孔洞，每个卦限中相邻的斜置孔洞在XOY平面上的中心之间的距离相等，该距离与离原点O最近的第一个斜置孔洞在XOY平面上的中心与原点O之间的距离相等，第一卦限和第三卦限中的N个平行的斜置孔洞的方向余弦为（cosα，cosβ，cosθ），第二卦限和第四卦限中的N个平行的斜置孔2 2 2
洞的方向余弦为（cosα，-cosβ，cosθ），其中cosα+cosβ+cosθ=1，θ=45°，复合材料板总厚度h=5mm，则碳纤维Z-pin构件长度l须满足：l≥h/cosθ=5mm/cos45° 7.071mm；
所述斜置孔洞的体积占二维碳纤维平纹编织预制体体积的0.5%，通过该体积分数确定N值。

[0039] （4）将碳纤维Z-pin构件斜置嵌入二维碳纤维平纹编织预制体的斜置孔洞中；

[0040] （5）采用CVI工艺沉积带碳纤维Z-pin构件的二维碳纤维平纹编织预制体，使其致密化，获得二维陶瓷基复合材料板；

[0041] （6）对碳纤维Z-pin构件部位进行加工和修整：除去碳纤维Z-pin构件多余部分，使碳纤维Z-pin构件与二维陶瓷基复合材料板外表面平齐；然后采用CVI工艺在二维陶瓷基复合材料板外表面制备SiC涂层，对碳纤维Z-pin构件部位进行覆盖和保护。

[0042] 所述CVI工艺参数为：温度控制在800℃，压力为10kPa，沉积时间约100h。

[0043] 受力分析：

[0044] 若二维C/SiC陶瓷基复合材料预制体一个基本单元区域下表面固支，预制体基本单元上表面受法向均布剥离力，合力为FI，则：

[0045] 现有植入方式，单个碳纤维Z-pin构件连接界面需要承受的剪切力合力[0046] 斜置植入方式，碳纤维Z-pin构件承受的法向力FI分解为沿碳纤维Z-pin构件轴向的剪切分量和垂直于碳纤维Z-pin构件轴线的挤压分量；

[0047] 斜置植入方式，连接界面需要承受的剪切力合力

[0048]

[0049] 斜置植入方式，碳纤维Z-pin构件与孔洞的挤压力

[0050]

[0051] 如果边界条件为预制体基本单元四边固支，碳纤维Z-pin构件受均布体积力，合力为FI，则：

[0052] 现有植入方式，单个碳纤维Z-pin构件连接界面需要承受的剪切力合力[0053] 斜置植入方式，碳纤维Z-pin构件承受的法向力FI分解为沿碳纤维Z-pin构件轴向的剪切分量和垂直于铆钉轴线的挤压分量；

[0054] 斜置植入方式，连接界面需要承受的剪切力合力

[0055]

[0056] 斜置植入方式，碳纤维Z-pin构件与孔洞的挤压力

[0057]

[0058] 实施例2

[0059] 所述θ=15°，其余同实施例1

[0060] 实施例3

[0061] 所述θ=30°，其余同实施例1

[0062] 实施例4

[0063] 所述斜置孔洞的体积占二维碳纤维平纹编织预制体体积的1%，其余同实施例1。

[0064] 实施例5

[0065] 所述斜置孔洞的体积占二维碳纤维平纹编织预制体体积的2.5%，其余同实施例1。

[0066] 实施例6

[0067] 所述斜置孔洞的体积占二维碳纤维平纹编织预制体体积的4%，其余同实施例1。

[0068] 实施例7

[0069] 所述CVI工艺参数为：温度控制在1000℃，压力为5kPa，沉积时间约100[0070] h，其余同实施例1。

[0071] 实施例8

[0072] 所述CVI工艺参数为：温度控制在1100℃，压力为1kPa，沉积时间约100h，其余同实施例1。