一种用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料紧固件预制体技术领域，具体涉及一种用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体。

背景技术

陶瓷基复合材料具有耐高温、低密度、高强韧性、伪塑性力学行为、缺口不敏感性和不发生灾难性损毁等优异性能，是国际公认的新型热结构材料，在航空发动机和航天热结构领域广泛应用。随新一代航空发动机和高性能可重复使用航天飞行器的发展，采用陶瓷基复合材料研制大型薄壁复杂热结构件，成为未来高性能装备应用的主要形式，如火焰筒、涡轮外环、涡轮导叶、隔热屏、火焰稳定器、中心锥、密封片/调节片和内锥体等发动机热结构件，以及襟翼、舵、头锥和机翼前缘等航天飞行器热结构件，这些热结构件通常采用积木式设计方法，通过组装集成制造技术完成构件制造，由于组装集成区域通常为应力集中区，这对起连接作用的陶瓷基复合材料紧固件提出了高强韧性要求。作为结构标准件，陶瓷基复合材料紧固件通常采用C/SiC或SiC/SiC复合材料制备，主要功能是连接、固定、支撑和传递载荷，由于陶瓷基复合材料的剪切强度通常为其拉伸强度的三分之一左右，导致目前研制的陶瓷基复合材料紧固件剪切强度低于陶瓷基复合材料孔周挤压强度，易发生紧固件剪切断裂失效或螺纹牙断齿失效，因此，陶瓷基复合材料零部件的集成组装成为关键工序，发展高性能陶瓷基复合材料紧固件成为急迫需求。

陶瓷基复合材料紧固件的力学性能与其纤维预制体结构有关。目前，采用二维叠层预制体或三维针刺预制体研制陶瓷基复合材料紧固件是当前主流的方法。然而，上述预制体结构制备的紧固件性能易受剪切方向影响，这是陶瓷基复合材料面内剪切强度显著高于层间剪切强度的性能造成的，研究表明，一方面，剪切载荷方向与销钉铺层方向平行时的销钉强度(S∥)，与剪切载荷和销钉铺层方向垂直时的销钉强度(S⊥)差异很大，平均强度值偏差在1-1.5倍及以上。另外，2D和3DN预制体中只有50％纤维(紧固件轴向纤维)参与剪切载荷承载，因此，紧固件剪切强度还有待提高；另一方面，受到叠层预制体结构影响，基于上述预制体的陶瓷基复合材料螺栓的面内方向螺纹牙强度显著高于层间方向的螺纹牙强度，易发生断齿。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体，以解决现有技术中二维叠层预制体或三维针刺预制体制备的紧固件性能易受剪切方向影响以及纤维增强体分布不均匀的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体，包括芯体结构和包层结构，包层结构包裹在芯体结构外；其中，芯体结构为多根纤维束同向排布形成的圆柱体，包层结构为纤维束编织的筒状体。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，纤维束为碳纤维、碳化硅纤维和氮化硅纤维中至少一种。

进一步，采用管编织法、三维四向编织法、2.5D编织法或三维五向编织法进行编织。

进一步，纤维束为碳纤维时，芯体结构中纤维束的体积分数为40-60％，包层结构中纤维束的体积分数为30-50％。

进一步，纤维束为碳纤维时，芯体结构中纤维束的体积分数为50％，包层结构中纤维束的体积分数为40％。

进一步，纤维束为碳化硅纤维或氮化硅纤维时，芯体结构中纤维束的体积分数为30-50％，包层结构中纤维束的体积分数为20-40％。

进一步，纤维束为碳化硅纤维或氮化硅纤维时，芯体结构中纤维束的体积分数为40％，包层结构中纤维束的体积分数为30％。

进一步，用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体的长径比为100-200：1。

进一步，用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体的长径比为150：1。

本发明还提供上述用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体的制备方法，包括以下步骤：

(1)预制体结构设计：预制体结构包括芯体结构和包层结构，所述包层结构包裹在所述芯体结构外；

(2)制备芯体结构：以圆棒作为集束模具，沿圆棒轴向依次铺设纤维束，直至将圆棒周向全部包裹，然后将超出圆棒端面纤维束的一端捆扎，去除圆棒，拉直所有纤维束，将纤维束的另一端捆扎，再在保持纤维束张力条件下，采用熔融玻璃丝沿纤维束周向进行捆绑，制得芯体结构；

(3)编制包层结构：将步骤(2)制得的芯体结构保持拉直状态，在外周面编织纤维束，形成包层结构，制得预制体一；

(4)将步骤(3)制得的预制体一采用熔融玻璃丝进行缝合，制得用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体。

进一步，步骤(1)中，芯体结构直径为d-x mm，包层结构内径为d-x mm，包层结构外径为D+y mm；其中，d和D分别为陶瓷基复合材料紧固件的小径和大径；x和y取值范围均为1-2mm。

进一步，步骤(2)中，圆棒长度为L-z mm，直径为d-x mm；纤维束长度为L mm；其中，d为陶瓷基复合材料紧固件的小径，z取值范围为10-30mm。

进一步，步骤(2)中，采用纤维束捆扎。

进一步，步骤(3)中，芯体结构受到编织纤维束的压应力。

进一步，步骤(4)中，沿步骤(3)制得的预制体一横截面0°和90°方向各进行一次缝合，然后沿轴向间隔设定长度，继续沿横截面0°和90°方向各进行一次缝合，采用同样的缝合方法缝合所有间隔，完成缝合过程。

进一步，步骤(4)中，在金属针的引导下完成缝合过程。

本发明还提供上述高长径比棒状预制体在制备陶瓷基复合材料螺栓或陶瓷基复合材料销钉方面的应用。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明制得的高长径比棒状预制体可以直接作为螺栓或销钉的坯体，不仅可去掉磨外圆加工工序，而且，可突破螺栓/销钉直径受平板厚度的限制，为高效率快速制备更大直径螺栓/销钉提供了重要思路。本发明的制备方法通过引入玻璃丝缝合的方式，还可弥补目前螺栓和/或铆钉紧固件单向纤维预制体易开裂和弯曲变形的不足。

2、本发明的新型预制体，芯体为多根纤维束同向排布构成的圆柱体结构，用于剪切或拉伸承载，其方向与螺栓轴向平行，环向剪切载荷可以无差别均匀承载；包层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结构，包裹芯体维持圆柱外形的同时，用于加工螺纹，使得螺纹牙内纤维增强体均匀分布，这能保证螺纹牙整个圆周上的强度一致；而采用二维叠层预制体或三维针刺预制体制备的螺纹牙，受面内剪切强度和层间剪切强度的制约，其螺纹牙在圆周上沿纤维方向的强度最佳，而垂直于纤维方向的强度最弱，同时在螺纹牙位置的应力集中会使得螺柱断裂。采用本发明新型预制体，螺纹牙在整个圆周上强度相同，不会出现局部断齿现象，且芯体和包层预制体分离，不会使得螺纹牙裂纹扩展进入芯体，从而可同时达到螺纹牙最大承载和螺柱最大承载。

3、本发明制备的新型预制体结构，通过熔融玻璃丝缝合作用，包层与芯体紧密结合，有助于包层外壳的螺纹牙具有更优异强韧性，芯体单向纤维束充分发挥纤维强韧性。

4、本发明制备的新型预制体结构，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，该预张力不仅使得预制体能保持平直状态，达到更高长径比，更有助于芯体和包层接触更紧，提高二者载荷传递效率。

5、本发明制备的新型预制体结构，可以直接形成棒状预制体，避免了二维叠层预制体或三维针刺预制体需要磨外圆的工序，直接减少了生产周期。

6、本发明制备的新型预制体结构，通过调控长径比可控制紧固件的生产数量，有助于批量化工业化生产。

7、本发明制备的预制体编织工序少、加工量小以及加工时间短，制备过程无需复杂辅助工装，适用于大批量低成本生产用于陶瓷基复合材料紧固件的预制体结构。

附图说明

图1为本发明高长径比棒状预制体的制备工艺流程图

图2为实施例1制得的高长径比棒状预制体的结构示意图；

图3为实施例1制得的高长径比棒状预制体和螺栓的CT图；

图4为实施例2制得的高长径比棒状预制体的结构示意图；

图5为实施例2制得的高长径比棒状预制体和螺栓的CT图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1：

一种用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体，其制备方法包括以下步骤(工艺流程图见图1)：

(1)预制体结构设计

按照陶瓷基复合材料螺栓尺寸要求，设计其预制体结构的尺寸，预制体结构包括芯体结构和包层结构，芯体结构为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，芯体结构发挥纤维强韧化作用，包层结构起保护和成型作用，并用于加工螺纹；芯体结构直径为5mm，包层结构内径为5mm，包层结构外径为9mm；陶瓷基复合材料螺栓的小径d为6mm，大径D为8mm；明确芯体结构和包层结构的尺寸之后，根据纤维束直径计算出所需纤维束数量；其中，纤维束为碳纤维；

(2)制备芯体结构

准备长度为1500mm的碳纤维束，采用长度为1485mm，直径为5mm的金属圆棒作为集束模具，将碳纤维束均匀分散到金属圆棒表面，具体以每根硅纤维束沿金属圆棒的轴向延伸，多根碳纤维束沿金属圆棒的周向紧密排布方式分散，直至包裹整根金属圆棒；将超出圆棒端面的碳纤维集束的一端(约7.5mm)用1K碳纤维束捆扎，然后去除金属圆棒，再拉直所有碳纤维束，用1K碳纤维束捆扎另一端(约7.5mm)，保持碳纤维束张力，用熔融玻璃丝按螺旋方向捆绑，形成单向碳纤维集束的芯体结构，并保持拉直状态制得芯体结构；其中，芯体结构中碳纤维束的体积分数为50％；

(3)编制包层结构

将步骤(2)制得的芯体结构保持拉直状态，采用管编织法在其外周面编织碳纤维束，设置碳纤维束编织张力，使得单向碳纤维集束芯体结构预制体受到包层编织预制体的压应力，形成包层结构，制得预制体一；其中，包层结构中碳纤维束的体积分数为40％；

(4)采用细熔融玻璃丝，在金属针的引导下，沿步骤(3)制得的预制体一横截面0°和90°方向各进行一次缝合，然后沿轴向间隔设定长度，继续沿横截面0°和90°方向各进行一次缝合，采用同样的缝合方法缝合所有间隔，完成缝合过程，制得用于陶瓷基复合材料螺栓的高长径比棒状预制体(长径比为150：1)，即用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体(结构示意图见图2，其中，从左至右依次为棒状预制体结构三维示意图、芯体结构示意图和包层结构示意图)。

实施例2：

一种用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体(结构示意图见图4，其中，从左至右依次为棒状预制体结构三维示意图、芯体结构示意图和包层结构示意图)，

其制备方法包括以下步骤：步骤(3)中采用三维四向编织法编织碳纤维束，其余同实施例1。

实施例3：

一种用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体，其制备方法包括以下步骤：

(1)预制体结构设计

按照陶瓷基复合材料销钉尺寸要求，设计其预制体结构的尺寸，预制体结构包括芯体结构和包层结构，芯体结构为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，芯体结构发挥纤维强韧化作用，包层结构起保护和成型作用，并用于加工螺纹；芯体结构直径为5mm，包层结构内径为5mm，包层结构外径为9mm；陶瓷基复合材料销钉的小径d为6mm，大径D为8mm；明确芯体结构和包层结构的尺寸之后，根据纤维束直径计算出所需纤维束数量；其中，纤维束为碳纤维；

(2)制备芯体结构

准备长度为1500mm的碳纤维束，采用长度为1485mm，直径为5mm的金属圆棒作为集束模具，将碳纤维束均匀分散到金属圆棒表面，具体以每根硅纤维束沿金属圆棒的轴向延伸，多根碳纤维束沿金属圆棒的周向紧密排布方式分散，直至包裹整根金属圆棒；将超出圆棒端面的碳纤维集束的一端(约7.5mm)用1K碳纤维束捆扎，然后去除金属圆棒，再拉直所有碳纤维束，用1K碳纤维束捆扎另一端(约7.5mm)，保持碳纤维束张力，用熔融玻璃丝按螺旋方向捆绑，形成单向碳纤维集束的芯体结构，并保持拉直状态制得芯体结构；其中，芯体结构中碳纤维束的体积分数为50％；

(3)编制包层结构

将步骤(2)制得的芯体结构保持拉直状态，采用管编织法在其外周面编织碳纤维束，设置碳纤维束编织张力，使得单向碳纤维集束芯体结构预制体受到包层编织预制体的压应力，形成包层结构，制得预制体一；其中，包层结构中碳纤维束的体积分数为40％；

(4)采用细熔融玻璃丝，在金属针的引导下，沿步骤(3)制得的预制体一横截面0°和90°方向各进行一次缝合，然后沿轴向间隔设定长度，继续沿横截面0°和90°方向各进行一次缝合，采用同样的缝合方法缝合所有间隔，完成缝合过程，制得用于陶瓷基复合材料销钉的高长径比棒状预制体(长径比为150：1)，即用于陶瓷基复合材料紧固件的高长径比棒状预制体。

试验例

一、将实施例1制得的高长径比棒状预制体和由此制得的螺栓进行CT检测，结果见图3(从左至右，从上之下，依次为棒状预制体垂直轴向切面视图、螺栓沿着螺纹牙的切面视图、螺栓沿着轴向0°切面视图和制备的C/SiC螺栓)。

由图3可知，本发明棒状预制体呈现圆柱状，便于加工成圆形截面的螺栓。本发明芯体为单向纤维集束结构，其方向与螺栓轴向平行，环向剪切载荷可以无差别均匀承载。本发明螺栓纤维预制体呈典型高长径比棒状结构，包层结构有维型功能，其管编织结构可确保加工出纤维增强体均匀分布的螺纹牙，芯体层是主承载结构。

二、将实施例2制得的高长径比棒状预制体和由此制得的螺栓进行CT检测，结果见图5(从左至右，从上之下，依次为长径比棒状预制体垂直轴向切面视图、螺栓沿着轴向0°切面视图、螺栓沿着螺纹牙的切面视图和制备的C/SiC螺栓)。

由图5可知，本发明棒状预制体呈现圆柱状，便于加工成圆形截面的螺栓。本发明芯体为单向纤维集束结构，其方向与螺栓轴向平行，环向剪切载荷可以无差别均匀承载。本发明螺栓纤维预制体呈典型高长径比棒状结构，包层结构有维型功能，其三维四向编织结构可确保加工出纤维增强体均匀分布的螺纹牙，芯体层是主承载结构

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。