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SiC复合材料用耐高温胶粘剂的制备及其粘接性能研究

SiC复合材料用耐高温胶粘剂的制备及其粘接性能研究

作     者:张嘉明 

作者单位:哈尔滨工程大学 

学位级别:硕士

导师姓名:李峻青;王超

授予年度:2023年

学科分类:081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题:SiC陶瓷基复合材料 磷酸盐胶粘剂 酚醛树脂 硅酸盐胶粘剂 金属间化合物 

摘      要:近些年来,耐高温胶粘剂的发展使粘合技术在航空航天领域得到了应用。SiC陶瓷基复合材料可用于航空航天领域中的耐热结构部件。但由于其脆性特征导致其加工成本高、制备周期长,直接制备大尺寸复杂结构部件非常困难,在很大程度上限制了其应用和发展。因此大尺寸复杂SiC陶瓷基复合材料结构部件的首选制备技术是分别制造分体的部件,然后进一步组装和连接它们。胶粘剂粘接是一种非常具有成本效益并且十分可靠的连接方法。然而,现有的胶粘剂很难满足SiC陶瓷基复合材料的连接要求。因此,本课题开发了两种高效的胶粘剂分别是磷酸盐杂化酚醛树脂耐高胶粘剂和改性硅酸盐耐高温胶粘剂用于粘接SiC陶瓷基复合材料。本文以磷酸盐树脂为基体,以AlO为固化剂,ZrO、Ti和YO粉末作为耐热填料,通过引入酚醛树脂,制备了一种磷酸盐杂化酚醛树脂耐高温胶粘剂PA-PF。并且在粘接之前使用酚醛树脂对SiC陶瓷基复合材料试样表面进行了封孔处理,优化了粘接工艺。其在室温下的拉伸剪切强度可达16.8 MPa,在1800℃煅烧后冷却至室温拉伸剪切强度仍可达到6.1 MPa。通过SEM、FT IR、XRD和TG-MS-IR对胶粘剂的结构进行表征,表明酚醛树脂的加入填补了磷酸盐网络骨架的空隙,高温处理后胶粘剂结构变得致密,这明显改善了胶粘剂体系的连续性。采用NiSiO、Ti、ZrO和Si粉末改性硅酸钠树脂作为基体,Al和Zn O粉末混合作为固化剂,开发了一种改性硅酸盐耐高温胶粘剂SA-AN,在600℃煅烧后冷却至其拉伸剪切强度为18.7 MPa,与传统的硅酸盐粘合剂相比,提高了65.5%。在900℃煅烧后为17.9 MPa,与传统的硅酸盐粘合剂SA-A相比,提高了94.6%。即使在1200℃的煅烧后,也出现了含有SiC陶瓷基复合材料基材损伤的混合断裂模式,表明在此温度下的有效粘附。通过SEM、FT IR、XRD、TG-DSC和TEM对胶粘剂结构和其与SiC基材间界面反应的进行了表征,表明胶粘剂SA-AN在可以高温下转变为富含Al-Ni的金属间化合物-增强陶瓷复合材料。粘合剂与SiC陶瓷基复合材料基材发生了界面反应,由此产生的扩散反应层有效地缓解了粘合剂与SiC陶瓷基复合材料基材之间的热应力。由于金属间化合物的形成和界面反应的发生,接头的机械性能和耐热性能得到了极大的改善。

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