陶瓷粘接用硅树脂基胶粘剂的制备及耐高温性能研究

发布时间：2018-11-09 16:37

【摘要】：耐高温胶粘剂作为一种方便有效的连接手段,是飞行器设计的重要组成部分。随着航天技术的不断发展,高速度、高精度、隐形化的高超声速飞行器成为研究的热点。在高马赫(5Ma)飞行条件下,气动加热导致飞行器面临高温环境。因此,研究满足1500℃条件下使用的耐高温胶粘剂对高超声速飞行器的发展具有重要意义。本课题选用三硅醇苯基倍半硅氧烷改性甲基苯基硅树脂(POSS-MPSR)为基体,耐高温粒子、金属镍为改性填料,改性短切碳纤维为增强相制备了系列耐高温胶粘剂(HTOA)。从工程应用和理论角度出发开展了如下研究工作:(1)POSS-MPSR的热稳定性,HTOA基体的高温反应及高温结构转化行为;(2)HTOA接头的界面反应及界面自生长Si C nanowires(Si CNWs);(3)HTOA基体自生长Si CNWs增韧和短切碳纤维-Si CNWs复合结构的增韧机理。将MPSR、5%Tri Silanol Phenyl POSS和固化促进剂进行分散复合,通过共固化获得POSS-MPSR,其在1000℃条件下的热失重率为9%。选用Zr B2、Si O2、Si为耐高温填料,研究了HTOA基体的高温反应、高温结构转化、粘接强度以及与Zr B2-Si C-graphite复合陶瓷(ZSG)的界面反应。实验结果表明:在氧乙炔焰冲刷下,HTOA基体表面形成了致密的Si O2保护层,基体内部形成含有Si O2、Zr O2、Zr Si O4等组成的结构层。在1500℃条件下,HTOA和ZSG陶瓷相互扩散形成反应层,实现了高温条件下HTOA同ZSG陶瓷的有效粘接。经1500℃/1h处理之后,HTOA与ZSG陶瓷粘接强度为53.8MPa。随着热处理时间的增加,胶接界面过渡层厚度增加,ZSG基体被过度氧化生成薄弱层。以金属镍粉为改性剂,研究了填加量分别为5%、10%、15%时HTOA基体的组织结构及粘接强度。研究结果表明:在1500℃条件下,熔融的金属镍可以有效弥合HTOA高温分解生成的孔洞,阻止O2向胶层中扩散,从而有效地降低了粘接界面处的氧分压,进而改变了粘接接头界面的高温氧化行为。当镍含量10%时,HTOA经1500℃/1h处理后剪切强度为36.5MPa,经1500℃热处理3h后粘接强度为25.4MPa。同时利用镍为活性中心,HTOA胶层和ZSG陶瓷高温氧化生成的CO(g)为碳源、Si O(g)为硅源;通过vapor liquid solid(V-L-S)机理实现了粘接界面Si CNWs的自生长。通过提高界面胶层的模量和强度,提高了HTOA接头的界面强度。当HTOA粘接件发生破坏时,粘接界面自生长Si CNWs的拔出或断裂将消耗更多的能量,从而提高HTOA的粘接强度。为了进一步实现对HTOA基体的高温增强增韧,以石墨片为改性剂,高温氧化生成CO(g),利用V-L-S机理实现了HTOA内Si CNWs的自生长。研究了温度及1500℃条件下不同时间对HTOA基体自生长Si CNWs形貌及其粘接性能的影响。研究结果表明:随着温度的升高,Si CNWs的直径越细;随着1500℃条件下热处理时间的增加,生成的Si CNWs密度增高;自生长Si CNWs增韧的HTOA粘接强度和抗热震性均得到了明显提高;经1500℃/1h高温处理后,粘接强度为38.0MPa;经氧乙炔热震后,粘接强度为13.6MPa,强度保留率为35.79%。以表面附载金属镍的短切碳纤维为增强体,研究了短切碳纤维-Si CNWs复合结构的形成机制及增韧机理。研究结果表明:短切碳纤维-Si CNWs复合结构具有明显的增强增韧作用;经1500℃/1h高温处理后,粘接强度为37.0MPa;经氧乙炔热震后,粘接强度为14.5MPa,强度保留率为39.19%。短切碳纤维-Si CNWs复合结构增韧的HTOA具有最佳的抗热震性能。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ433.438

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