一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链及制备方法专利检索-热膨胀系数物理专利检索查询-专利查询网

一种耐高温烧蚀炭/炭化 硅 复合材料固定铰链及制备方法

阅读：804发布：2023-02-02

专利汇可以提供一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链及制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链及制备方法，包括以下步骤：（1）设计固定铰链的结构和尺寸；（2）制备各构件预制体；（3）预制体成型：上支座和下支座采用针刺工艺和缝合工艺相结合的技术对步骤（2）中的预制体完成预制体的整体成型；附属件采用针刺工艺完成预制体的整体成型；（4）C/SiC复合材料固定铰链的制备：对成型后的各构件预制体采用化学气相沉积工艺进行沉积致密，生成C/C复合材料固定铰链构件坯料，然后进行陶瓷化处理和机械加工，得到C/SiC复合材料固定铰链。本发明的固定铰链热膨胀系数小，机械性能高，高温烧蚀量小，能够承受拉伸和剪切等复杂载荷，且具有优异的耐候性。，下面是一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链及制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）设计固定铰链的结构和尺寸：所述固定铰链包括上支座、下支座和附属件；
（2）制备各构件预制体：采用炭纤维编制各构件预制体；
（3）预制体成型：上支座和下支座采用针刺和缝合相结合的工艺完成预制体的整体成型；附属件采用针刺工艺完成预制体的整体成型；
所述上支座和下支座采用针刺工艺和缝合工艺的条件为：
1）根据预制体尺寸要求，设计匹配的针刺成型模具；
2）针刺工艺单元结构为一层2 5K 碳布复合一层12K碳纤维网胎，针刺密度为（8 20）针/~ ~
cm2，层间密度为（12 18）层/10mm；
~
3）预制体针刺成型完成后，采用2 5K碳纤维预制体厚度方向单股双向缝合，缝合间距~
为（3 8）mm，最终完成预制体的整体成型；
~
（4）C/SiC复合材料固定铰链的制备：对成型后的各构件预制体采用化学气相沉积工艺进行碳沉积致密，生成C/C复合材料固定铰链构件坯料，然后进行陶瓷化处理，得到C/SiC复合材料固定铰链；
碳沉积温度为900 1200℃，沉积压力为700 900Pa，时间为120h 500h，反应原料是高碳~ ~ ~
含量烷烃类，高碳含量烷烃类为三碳烷烃、甲苯和环己烷中的一种或多种，以氩气作为稀释气体，流速为200 1000mL/min，控制沉积气源和氩气的流量比为1:3 5；
~ ~
陶瓷化处理温度为1100-2000℃，压力500 1000Pa，通入氯基硅烷、汽化硅并通入氩气~
进行稀释，所述氯基硅烷和汽化硅：氩气的流量比为1:4，氩气流速为100 500mL/min，反应~
时间为300-1800min。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：进行陶瓷化处理后，采用机械加工和金刚石精密加工技术对固定铰链各构件进行精密加工并装配校核。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，在预制体成型时，上、下支座预制体外形沿产品厚度方向各增加2 3mm余量，沿产品端面延伸方向各增加10 12mm余量。
~ ~
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，附属件采用针刺工艺的条件为：
1）选用高模量4 8K碳纤维制备平面方向碳布；
~
2）选用T600 T800的12K 碳纤维制备平面方向网胎；
~
3）针刺工艺单元结构为一层碳布复合一层网胎，针刺密度为（18 30）针/cm2，层间密度~
为（19 21）层/10mm，最终完成预制体的整体成型。
~
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：碳沉积温度为1100℃，沉积压力为800Pa，时间为300h，氩气流速为400mL/min，控制沉积气源与氩气的流量比为1:3。
6.采用权利要求1 5中任一项所述的制备方法制备得到的耐高温烧蚀炭/炭化硅复合~
材料固定铰链。
7.如权利要求6所述的固定铰链，其特征是：C/SiC复合材料固定铰链的密度为1.5~
3
2.5g/cm。

说明书全文

一种耐高温烧蚀炭/炭化硅 复合材料固定铰链及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链及制备方法。

背景技术

[0002] 炭/炭化硅复合材料（C/SiC）复合材料最早在20世纪80年代作为美国航天飞机的热防护材料出现，已应用于返回式飞船的面板和机身舱门、航天飞机的热防护系统等。航天飞机等高超声速飞行器在大气层中飞行过程中，面临的热环境非常恶劣，飞行器的表面尤其头锥、机翼前缘、襟翼等结构的气动迎风面温度非常高，当飞行速度为6 马赫数时，头锥部位温度可达到1800k（约1530℃）左右，高温对飞行器热防护系统（Thermal Protection Systems，TPS）的耐高温性能提出了严峻挑战。热防护系统技术及材料关乎飞行器的生存能力，因此，自航天飞机等高超声速概念诞生以来，有关高速飞行器的气动热力学及热防护技术与材料的研究从未间断。自上世纪90年代开始，美国宇航局NASA进行用于替代航天飞机的下一代可重复使用的空天飞行器/运载器计划，诞生了X33、X43、X38、X37等一系列空天飞行器；日本计划在21世纪20年代研制成功采用吸气火箭组合式发动机的单级入轨空天飞机；欧洲制定了未来空间运输研究计划（FESTIP），研制可重复使用的天地往返运载器。各种航天飞行器大量采用C/SiC复合材料作为热结构材料，从鼻锥帽、机翼前缘、襟副翼、方向舵、组合襟翼、机身襟翼等，C/SiC复合材料鼻锥最高耐温达到3200°F（约1760℃。由于C/SiC复合材料长时工作温度在1350℃以下，马赫数更高情况下需要采用更耐高温的超高温陶瓷材料例如ZrB2、ZrC等，但该类材料目前尚未解决材料成型、韧性等一系列问题。

[0003] C/SiC复合材料最初的诞生，即是上世纪冷战时期应用于航天飞机的热防护系统应用。使用C/SiC复合材料作为热防护系统，比金属基材料减重50%，减少发射准备程序，减少维护、提高使用寿命和降低成本。C/SiC复合材料是一种兼有金属材料、陶瓷材料和炭材料性能优点的热结构/功能一体化材料。该材料克服了金属材料耐温低和密度大、陶瓷材料的脆性大和可靠性差、炭材料抗氧化性能差和机械强度低等缺点，具有低密度、低热膨胀、耐高温、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀，导热性能好，对裂纹不敏感，不发生灾难性损毁等特点，同时具有优良的超低温性能和抗辐照性能，并可根据技术要求进行适当的性能设计，应用领域广泛。

[0004] C/SiC复合材料可在1350℃环境下长期稳定工作，在1900℃温度下具有短时寿命，并且可在-180℃环境下稳定工作。在以下不同领域其可进行应用：作为耐超低温工作环境材料可用于深空探测器部件；作为耐烧蚀材料可用于固体/液体火箭发动机喷管及喉衬，冲压发动机整体燃烧室、调节叶片和喷管等部件；作为热结构及热防护材料可用于高超声速飞行器热防护系统、航空发动机热端部件等；作为耐高温、耐辐照材料可用于核聚变反应堆的第一壁材；作为摩擦制动材料，可用于飞机、高速列车、汽车等的制动系统以及高速离合器，主要利用其制动性能优异，没有制动衰减、环境适应性强等特性；作为空间结构材料可用于卫星结构件、空间反射镜甚至整体卫星平台等；主要利用其线膨胀系数低、高比模等特性；作为轻型防护装甲材料用于飞机、地面车辆、船舶、单兵等的装甲防护； C/SiC复合材料可集热防护和装甲防护于一体，并且在受到超高速弹丸的瞬间撞击时，该复合材料的两种组份炭材料以及碳化硅材料均不发生熔化（材料没有熔点），直接升华，不产生破环力较大的二次碎片云，仅有细小的粉尘，这些特点使该材料尤其适用于卫星及空间平台等的超高速空间碎片的防护；良好的导热性能，使其可应用于各种换热器领域。

[0005] 目前我国的高温合金生产水平与美国、俄罗斯等国有着较大的差距，随着新型航天航空飞行器/运载器的出现，单纯采用高温合金制作成航天航空构件—固定铰链已经不能满足在航天航空及特殊高温氧化环境下使用的要求，主要缺点是高温合金材料的密度大、高温力学性能差、烧蚀严重等问题，难以满足使用要求。

[0006] 目前并没有采用C/SiC复合材料制备固定铰链的相关报道。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链及制备方法，该固定铰链结构热膨胀系数小，机械性能高，高温性能好，能够承受拉伸和剪切等复杂载荷，且具有优异的耐候性。

[0008] 本发明采用以下技术方案：

[0009] 一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链的制备方法，包括以下步骤：

[0010] （1）设计固定铰链的结构和尺寸：所述固定铰链包括上支座、下支座和附属件；

[0011] （2）制备各构件预制体：采用炭纤维编制各构件预制体；

[0012] （3）预制体成型：上支座和下支座采用针刺和缝合相结合的工艺完成预制体的整体成型；附属件采用针刺工艺完成预制体的整体成型；

[0013] （4）C/SiC复合材料固定铰链的制备：对成型后的各构件预制体采用化学气相沉积工艺进行碳沉积致密，生成C/C复合材料固定铰链构件坯料，然后进行陶瓷化处理，得到C/SiC复合材料固定铰链。

[0014] 进一步，进行陶瓷化处理后，采用机械加工和金刚石精密加工技术对固定铰链各构件进行精密加工并装配校核。

[0015] 步骤（1）中，所述固定铰链结构的形式有多种，可以为合页式铰链、弹簧铰链、台面铰链或翻门铰链等。

[0016] 其中，所述固定铰链本体为合页式铰链结构时，包括：

[0017] 转轴；

[0018] 铰链上支座，具有用于与被连接物体连接的第一安装面结构，所述第一安装面结构上设有若干个第一通孔，通过第一通孔实现铰链上支座与被连接物体的的固定；

[0019] 铰链下支座，具有用于与被连接物体连接的第二安装面结构，所述第二安装面结构上设有若干个第二通孔，通过第二通孔实现铰链下支座与被连接物体的固定；

[0020] 所述铰链上支座通过转轴与铰链下支座连接。

[0021] 优选的，所述转轴的一端设有螺帽，另一端设有螺母，螺母与转轴末端的螺纹相互配合，实现铰链上支座和铰链下支座的稳定连接。

[0022] 更加优选的，螺母为自锁螺母，优点是防松、抗振。

[0023] 优选的，所述转轴的两端部还设有分别与螺帽和螺母相配合平垫，作用是减少转轴与铰链上支座、铰链下支座之间的摩擦力，并且使铰链上支座和铰链下支座的连接结构处更加稳定。

[0024] 优选的，为实现稳定连接，所述第一通孔和第二通孔的数量分别为6个。

[0025] 步骤（2）中，根据受载特点及材料力学性能，采用有限元分析的方法，最终确定结构的几何尺寸。固定铰链正常工作在-150 1300℃全温度范围，稳定工作时间30分钟以上，~工作期间要承受较大的拉应力和剪切应力，受载复杂，所用材料的力学性能主要取决于铰链构件的炭纤维，因此要选用合适的高性能炭纤维编制各构件坯体，经过大量实验验证与分析，相比于其他高性能纤维，比如芳纶纤维、特殊玻璃纤维和超高分子聚乙烯纤维等，炭纤维编织的各构件坯体机械性能最好。上/下支座预制体成型采用针刺工艺与缝合工艺相结合形成准三维整体结构，转轴等附属件预制体采用针刺工艺成型。

[0026] 步骤（3）中，所述上支座和下支座采用针刺工艺和缝合工艺的条件为：

[0027] 1）根据预制体尺寸要求，设计匹配的针刺成型模具（针刺削棒）；

[0028] 2）针刺工艺单元结构为一层2 5K碳布复合一层12K碳纤维网胎，针刺密度为（8~ ~20）针/cm2，层间密度为（12 18）层/10mm；
~

[0029] 3）预制体针刺成型完成后，采用2 5K碳纤维预制体厚度方向单股双向缝合，缝合~间距为（3 8）mm，最终完成预制体的整体成型。厚度方向为垂直于铺层方向。
~

[0030] 考虑最终成品加工需求，在预制体成型时，上、下支座预制体外形沿产品厚度方向各增加2 3mm（优选2mm）余量，沿产品端面延伸方向各增加10 12mm（优选10mm）余量。~ ~

[0031] 步骤（3）中，附属件采用针刺工艺的条件为：

[0032] 1）选用高模量4 8K碳纤维制备平面方向碳布；~

[0033] 2）选用T600 T800的12K 碳纤维制备平面方向网胎；~

[0034] 3）针刺工艺单元结构为一层碳布复合一层网胎，针刺密度为（18 30）针/cm2，层间~密度为（19 21）层/10mm，最终完成预制体的整体成型。
~

[0035] 考虑最终成品加工需求及结构受力特点，附属件预制体厚度方向余量各为2 3mm~（优选2mm），端面各为5 8mm（优选5mm）。
~

[0036] 根据固定铰链的在使用时的受载特点，本发明中的上、下支座预制体不仅采用了针刺工艺，还使用了缝合工艺，两者相结合增强了固定铰链的方向强度和冲击抗力。

[0037] 根据固定铰链在使用时的受载特点，本发明中固定铰链的附属件采用针刺工艺，提高了固定铰链的断裂韧性。

[0038] 本发明由高性能炭纤维采用针刺工艺与缝合工艺相结合形成准三维整体结构，以提高最终产品的整体力学性能和刚性。经过大量实验验证与分析，上述条件的针刺或缝合工艺使得最终得到的固定铰链的各项性能优异。

[0039] 同时，基底自身的成分和结构特点对随后的涂层生长都具有不同程度的影响，也影响了CVD涂层的结构质量。本发明采用针刺工艺与缝合工艺或者只采用针刺工艺得到的预制体构件为CVD沉积提供了良好的基础。

[0040] 步骤（4）中，首先在沉积炉内置入待沉积工件，然后以2 5℃/min的升温速度将炉~温升温到900 1200℃，沉积压力为700 900Pa，时间为120h 500h，反应原料是三碳烷烃~ ~ ~
（C3H8）、甲苯（C7H8）、环己烷（C6H12）等高碳含量烷烃类中的一种或几种（纯度大于99 %），以氩气作为稀释气体，流速为200 1000ml/min，控制沉积气源（三碳烷烃、甲苯和环己烷等高~
碳含量烷烃类的一种或多种）与氩气的流量比为1:3 5。
~

[0041] 所述沉积温度为900 1200℃，众所周知，温度一般是影响化学反应的最重要的工~艺因素之一，实验过程发现，温度超过1200℃时，沉积过程的化学反应较快，沉积产物不均匀；温度低于900℃时，反应速率较低，沉积效果不理想。采用氩气作为稀释剂或载气的目的在于降低反应气体的浓度，使气体能够安全地充分混合，以减少气相反应物在局部流向上的富集和避免单一气相形核的产生。

[0042] 使C/SiC复合材料的固定铰链的各项性能等最好的优选条件为：碳沉积温度为1100℃，沉积压力为800Pa，时间为300h，氩气流速为400ml/min，控制沉积气源三碳烷烃、甲苯和环己烷的一种或多种与氩气的流量比为1:3。

[0043] 上述工艺制得密度适宜的炭/炭复合材料，然后适度降温冷却至室温，进行陶瓷化处理。将炉内抽取真空并形成500 1000Pa的压力，然后进行炉内升温，温度控制在1100-~2000℃，然后向炉内通入氯基硅烷(比如: 甲基三氯硅烷、三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷等)、汽化硅并通入氩气进行稀释，氩气流速为100 500ml/min，所述氯基硅烷和汽化硅：氩~
气的流量比为1:4。氯基硅烷裂解、硅蒸汽产生硅元素进入炭/炭复合材料胚体与沉积炭颗粒发生反应生成 SiC元素，而炭纤维被充足的沉积炭包围，不会与硅元素发生反应，通过气流速度和反应时间的控制，最终获得均匀性良好的SiC基体。此过程根据工件尺寸可控制在
300-1800min，经过实验验证与分析，优选气流速度400ml/min，使得SiC基体分布效果最好，从而使得性能优异的C/SiC复合材料制品。

[0044] 本发明中采用炭纤维作为增强体，炭纤维和SiC在物理相容性还是晶格常数方面具有较大的差异，经过实验发现，所以当时间小于300min时，致密效果不好，当沉积时间大于1800min时，得到的C/SiC复合材料的性能不理想。经过大量实验验证与分析，优选沉积时间为360min，得到的C/SiC复合材料的固定铰链的各项性能等最好。

[0045] 由上述方法制备得到的C/SiC复合材料固定铰链的密度为1.5 2.5g/cm3。~

[0046] 本发明的有益效果是：

[0047] （1）根据固定铰链的在使用时的受载特点，本发明中的上、下支座预制体不仅采用了针刺工艺，还使用了缝合工艺，两者相结合增强了固定铰链的方向强度和冲击抗力。根据固定铰链在使用时的受载特点，本发明中固定铰链的附属件采用针刺工艺，提高了固定铰链的断裂韧性。本发明采用针刺工艺与缝合工艺或者只采用针刺工艺得到的预制体构件为CVD沉积提供了良好的基础。

[0048] （2）本发明根据固定铰链的在使用时的受载特点，对编织好的预制体用CVD工艺进行沉积致密，在纤维表面形成致密的热解炭层，保护炭纤维在陶瓷化过程中不与Si发生反应，以保证复合材料的强度与韧性。

[0049] （3）本发明的耐高温烧蚀C/SiC复合材料固定铰链，主要用作航空航天及特殊高温氧化环境下构件的连接，本发明的固定铰链可以在-150 1300℃温度范围工作，固定铰链由~密度为1.5～2.5g/cm3的连续炭纤维增强C/SiC复合材料制成，构件材料的弹性模量大于
60GPa，拉伸强度大于50MPa，弯曲强度大于100MPa。

[0050] （4）本发明的固定铰链热膨胀系数小，机械性能高，高温烧蚀量小，能够承受拉伸和剪切等复杂载荷，且具有优异的耐候性。本本发明的固定铰链结构简单，材料性能和加工精度要求高，适用于航空航天及特定极端环境中使用。附图说明

[0051] 图1是本发明固定铰链结构示意图。

[0052] 图2是本发明铰链上支座示意图。

[0053] 图3是本发明铰链下支座示意图。

[0054] 图4是本发明转轴示意图。

[0055] 图5是上支座预制体示意图。

[0056] 图6是下支座预制体示意图。

[0057] 图7是上支座预制体纤维走势及缝合纤维方向。

[0058] 图8是下支座预制体纤维走势及缝合纤维方向。

[0059] 图9和图10是本发明性能测试示意图。

[0060] 其中，1、铰链支架上支座，2、铰链支架下支座，3、转轴，4、第一通孔，5、第二通孔，6、工装，7、固定铰链。

具体实施方式

[0061] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0062] 实施例1

[0063] 一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链的制备方法，包括以下步骤：

[0064] （1）设计固定铰链的结构和尺寸

[0065] 如图1 4所示，根据固定铰链在航空航天及特定极端环境的使用情况，将固定铰链~设计为合页式铰链结构，包括转轴3；铰链上支座1，具有用于与被连接物体连接的第一安装面结构，所述第一安装面结构上设有6个第一通孔，通过第一通孔6实现铰链上支座1与被连接物体的的固定；铰链下支座2，具有用于与被连接物体连接的第二安装面结构，所述第二安装面结构上设有6个第二通孔5，通过第二通孔6实现铰链下支座2与被连接物体的固定；
所述铰链上支座1通过转轴3与铰链下支座2连接。

[0066] 转轴3的一端设有螺帽，另一端设有自锁螺母，自锁螺母与转轴3末端的螺纹相互配合，实现铰链上支座1和铰链下支座2的稳定连接。

[0067] 转轴3的两端部还设有分别与螺帽和螺母相配合平垫，作用是减少转轴3与铰链上支座1、铰链下支座2之间的摩擦力，并且使铰链上支座1和铰链下支座2的连接结构处更加稳定。

[0068] 根据固定铰链的受载特点及材料力学性能，采用有限元分析的方法，最终确定结构的几何尺寸。

[0069] （2）制备各构件预制体

[0070] 固定铰链工作期间要承受较大的拉应力和剪切应力，受载复杂，所用材料的力学性能主要取决于铰链构件的炭纤维，因此要选用合适的高性能炭纤维编制各构件预制体。

[0071] （3）固定铰链的各个构件的预制体成型

[0072] 如图5 8所示，考虑最终成品加工需求，在预制体成型时，上、下支座预制体外形沿~产品厚度方向各增加2mm余量，沿产品端面延伸方向各增加10mm余量，预制体尺寸示意图见图5和图6。图中，a=2mm，b=10mm，阴影部分为最终产品区域。

[0073] 为保证上、下支座预制体纤维的整体连续性以及层间结合，本发明采用缝合和针刺相结合的成型工艺方案。预制体成型的纤维走势图及缝合纤维方向见图7和图8。图中，箭头方向表示缝合纤维方向及缝合方式，阴影部分为平面方向纤维走势。

[0074] 上、下支座预制体成型工艺：

[0075] 1）根据预制体尺寸要求，设计合适的针刺成型模具；

[0076] 2）针刺工艺单元结构为一层3K碳纤维复合一层12K碳纤维网胎，针刺密度为15针/cm2，层间密度为15层/10mm；

[0077] 3）预制体针刺成型完成后，采用4K碳纤维按图5所示方向单股双向缝合，缝合间距为5mm，最终完成预制体的整体成型。

[0078] 转轴等附属件预制体成型工艺：

[0079] 考虑最终成品加工需求及结构受力特点，预制体厚度方向余量各为2mm，端面各为5mm厚度方向为针刺方向，成型工艺步骤如下：

[0080] 1）选用高模量6K碳纤维制备平面方向碳布；

[0081] 2）选用T700的12K 碳纤维制备平面方向网胎；

[0082] 3）针刺工艺单元结构为一层碳布复合一层网胎，针刺密度为25针/cm2，层间密度为20层/10mm，最终完成预制体的整体成型。

[0083] 针刺技术是利用薄的削棒以正确的角度插入预制体中，从而获得三维增强的预制体结构。

[0084] （4）C/SiC固定铰链的制备

[0085] 对成型后的各构件预制体采用化学气相沉积（CVD）工艺进行沉积致密，在化学气相沉积炉中进行沉积，沉积温度为1100℃，沉积压力为800Pa，时间为300h，氩气流速为400ml/min，反应原料是反应原料是三碳烷烃（C3H8）、甲苯（C7H8）和环己烷（C6H12）（纯度大于
99 %），氩气作为稀释气体参与反应，控制沉积气源三碳烷烃、甲苯和环己烷与氩气的流量比为1:3。

[0086] 经过CVD工艺后，在纤维表面形成致密的热解炭层，保护炭纤维在陶瓷化过程中不与Si发生反应，以保证符合材料的强度与韧性。

[0087] 生成C/C固定铰链构件坯体后即可对构件进行陶瓷化处理，陶瓷化处理温度为1100 2000℃，压力为800Pa，通入气体为氯基硅烷（二甲基二氯硅烷）、汽化硅及氩气的混合~
气体，氯基硅烷和汽化硅：氩气的流量比为1:4，氩气气流流速为400ml/min，反应时间为
360min，最终生产出密度为1.5 2.5g/cm3C/SiC复合材料固定铰链。在胚体初步加工的基础~
上，依靠金刚石精密加工技术对固定铰各构件进行精加工并装配校核。

[0088] 实施例2

[0089] 一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链的制备方法，包括以下步骤：

[0090] （1）设计固定铰链的结构和尺寸

[0091] 如图1 4所示，根据固定铰链在航空航天及特定极端环境的使用情况，将固定铰链~设计为合页式铰链结构，包括转轴3；铰链上支座1，具有用于与被连接物体连接的第一安装面结构，所述第一安装面结构上设有6个第一通孔，通过第一通孔6实现铰链上支座1与被连接物体的的固定；铰链下支座2，具有用于与被连接物体连接的第二安装面结构，所述第二安装面结构上设有6个第二通孔5，通过第二通孔6实现铰链下支座2与被连接物体的固定；
所述铰链上支座1通过转轴3与铰链下支座2连接。

[0092] 转轴3的一端设有螺帽，另一端设有自锁螺母，自锁螺母与转轴3末端的螺纹相互配合，实现铰链上支座1和铰链下支座2的稳定连接。

[0093] 转轴3的两端部还设有分别与螺帽和螺母相配合平垫，作用是减少转轴3与铰链上支座1、铰链下支座2之间的摩擦力，并且使铰链上支座1和铰链下支座2的连接结构处更加稳定。

[0094] 根据固定铰链的受载特点及材料力学性能，采用有限元分析的方法，最终确定结构的几何尺寸。

[0095] （2）制备各构件预制体

[0096] 固定铰链工作期间要承受较大的拉应力和剪切应力，受载复杂，所用材料的力学性能主要取决于铰链构件的炭纤维，因此要选用合适的高性能炭纤维编制各构件预制体。

[0097] （3）固定铰链的各个构件的预制体成型

[0098] 如图5 8所示，考虑最终成品加工需求，在预制体成型时，上、下支座预制体外形沿~产品厚度方向各增加2mm余量，沿产品端面延伸方向各增加10mm余量，预制体尺寸示意图见图5和图6。图中，a=2mm，b=10mm，阴影部分为最终产品区域。

[0099] 为保证上、下支座预制体纤维的整体连续性以及层间结合，本发明采用缝合和针刺相结合的成型工艺方案。预制体成型的纤维走势图及缝合纤维方向见图7和图8。图中，箭头方向表示缝合纤维方向及缝合方式，阴影部分为平面方向纤维走势。

[0100] 上、下支座预制体成型工艺：

[0101] 1）根据预制体尺寸要求，设计合适的针刺成型模具；

[0102] 2）针刺工艺单元结构为一层2 5K碳纤维复合一层12K碳纤维网胎，针刺密度为8~针/cm2，层间密度为12层/10mm；

[0103] 3）预制体针刺成型完成后，采用2K碳纤维按图5所示方向单股双向缝合，缝合间距为3mm，最终完成预制体的整体成型。

[0104] 转轴等附属件预制体成型工艺：

[0105] 考虑最终成品加工需求及结构受力特点，预制体厚度方向余量各为2mm，端面各为5mm厚度方向为针刺方向，成型工艺步骤如下：

[0106] 1）选用高模量4K碳纤维制备平面方向碳布；

[0107] 2）选用T600的12K 碳纤维制备平面方向网胎；

[0108] 3）针刺工艺单元结构为一层碳布复合一层网胎，针刺密度为18针/cm2，层间密度为19层/10mm，最终完成预制体的整体成型。

[0109] 针刺技术是利用薄的削棒以正确的角度插入预制体中，从而获得三维增强的预制体结构。

[0110] （4）C/SiC固定铰链的制备

[0111] 对成型后的各构件预制体采用化学气相沉积（CVD）工艺进行沉积致密，在化学气相沉积炉中进行沉积，沉积温度为900℃，时间为120h，沉积压力为900Pa，反应原料是纯度大于99 %三碳烷烃，氩气作为稀释气体参与反应，氩气流速为800ml/min，控制沉积气源三碳烷烃与氩气的流量比为1:4。

[0112] 经过CVD工艺后，在纤维表面形成致密的热解炭层，保护炭纤维在陶瓷化过程中不与Si发生反应，以保证符合材料的强度与韧性。

[0113] 生成C/C固定铰链构件坯体后对构件进行陶瓷化处理，陶瓷化处理温度为1100~2000℃，压力为500Pa，通入气体为氯基硅烷（三甲基氯硅烷）和汽化硅与氩气的混合气体，氯基硅烷和汽化硅：氩气的流量比=1:4，氩气气流流速为400ml/min，反应时间为500min，制备出1.5-2.5g/cm3的复合材料。最终在初步加工的基础上，采用金刚石精密加工技术对固定铰各构件进行精加工并装配校核。

[0114] 实施例3

[0115] 一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链的制备方法，包括以下步骤：

[0116] （1）设计固定铰链的结构和尺寸

[0117] 如图1 4所示，根据固定铰链在航空航天及特定极端环境的使用情况，将固定铰链~设计为合页式铰链结构，包括转轴3；铰链上支座1，具有用于与被连接物体连接的第一安装面结构，所述第一安装面结构上设有6个第一通孔，通过第一通孔6实现铰链上支座1与被连接物体的的固定；铰链下支座2，具有用于与被连接物体连接的第二安装面结构，所述第二安装面结构上设有6个第二通孔5，通过第二通孔6实现铰链下支座2与被连接物体的固定；
所述铰链上支座1通过转轴3与铰链下支座2连接。

[0118] 转轴3的一端设有螺帽，另一端设有自锁螺母，自锁螺母与转轴3末端的螺纹相互配合，实现铰链上支座1和铰链下支座2的稳定连接。

[0119] 转轴3的两端部还设有分别与螺帽和螺母相配合平垫，作用是减少转轴3与铰链上支座1、铰链下支座2之间的摩擦力，并且使铰链上支座1和铰链下支座2的连接结构处更加稳定。

[0120] 根据固定铰链的受载特点及材料力学性能，采用有限元分析的方法，最终确定结构的几何尺寸。

[0121] （2）制备各构件预制体

[0122] 固定铰链工作期间要承受较大的拉应力和剪切应力，受载复杂，所用材料的力学性能主要取决于铰链构件的炭纤维，因此要选用合适的高性能炭纤维编制各构件预制体。

[0123] （3）固定铰链的各个构件的预制体成型

[0124] 如图5 8所示，考虑最终成品加工需求，在预制体成型时，上、下支座预制体外形沿~产品厚度方向各增加2mm余量，沿产品端面延伸方向各增加10mm余量，预制体尺寸示意图见图5和图6。图中，a=2mm，b=10mm，阴影部分为最终产品区域。

[0125] 为保证上、下支座预制体纤维的整体连续性以及层间结合，本发明采用缝合和针刺相结合的成型工艺方案。预制体成型的纤维走势图及缝合纤维方向见图7和图8。图中，箭头方向表示缝合纤维方向及缝合方式，阴影部分为平面方向纤维走势。

[0126] 上、下支座预制体成型工艺：

[0127] 1）根据预制体尺寸要求，设计合适的针刺成型模具；

[0128] 2）针刺工艺单元结构为一层5K碳纤维复合一层12K碳纤维网胎，针刺密度为20针/cm2，层间密度为18层/10mm；

[0129] 3）预制体针刺成型完成后，采用5K碳纤维按图5所示方向单股双向缝合，缝合间距为8mm，最终完成预制体的整体成型。

[0130] 转轴等附属件预制体成型工艺：

[0131] 考虑最终成品加工需求及结构受力特点，预制体厚度方向余量各为2mm，端面各为5mm厚度方向为针刺方向，成型工艺步骤如下：

[0132] 1）选用高模量8K碳纤维制备平面方向碳布；

[0133] 2）选用T800的12K 碳纤维制备平面方向网胎；

[0134] 3）针刺工艺单元结构为一层碳布复合一层网胎，针刺密度为30针/cm2，层间密度为21层/10mm，最终完成预制体的整体成型。

[0135] 针刺技术是利用薄的削棒以正确的角度插入预制体中，从而获得三维增强的预制体结构。

[0136] （4）C/SiC固定铰链的制备

[0137] 对成型后的各构件预制体采用化学气相沉积（CVD）工艺进行沉积致密，在化学气相沉积炉中进行沉积，沉积温度为1200℃，时间为350h，沉积压力为800Pa，反应原料是三碳烷烃（纯度大于99 %)），氩气作为稀释气体参与反应，氩气流速为350ml/min，控制沉三碳烷烃和氩气的流量比为1:5。

[0138] 经过CVD工艺后，在纤维表面形成致密的热解炭层，保护炭纤维在陶瓷化过程中不与Si发生反应，以保证符合材料的强度与韧性。

[0139] 生成C/C固定铰链构件坯体后，对构件进行陶瓷化处理，陶瓷化处理温度为1100~2000℃，压力为1000Pa，通入气体为甲基三氯硅烷和汽化硅与氩气的混合气体，甲基三氯硅烷和汽化硅：氩气的流量比1:4，氩气气流流速为500ml/min，时间为800min，制备出1.5-
2.5g/cm3的复合材料。最终在初步加工的基础上，采用金刚石精密加工技术对固定铰各构件进行精加工并装配校核。

[0140] 实施例4

[0141] 实施例1中的耐高温烧蚀的固定铰链10的力学性能测试，在固定铰链的两个铰链上安装两个工装，并装上螺钉螺母，模拟真实的使用工况。

[0142] 1. 径向抗剪能力

[0143] （1）模拟实际工况，将带有工装6的固定铰链安装于拉力机上（下端固定），如图9；

[0144] （2）通电控制拉力机开始沿F1方向进行拉伸试验，载荷逐渐增加，加速为500N/s；

[0145] （3）当载荷增加到15KN时，停止加载，并保持5s；

[0146] （4）反向释放载荷，减速度也是500N/s，直至载荷为0；

[0147] （5）记录整个过程中载荷和位移的关系，并绘制曲线；

[0148] （6）整个过程中若试验载荷未到15KN，而产品破坏，则立即停止试验。

[0149] 2. 轴向抗弯能力

[0150] （1）模拟实际工况，将带有工装6的固定铰链安装于拉力机上（下端固定），如图10；

[0151] （2）通电控制拉力机开始沿F2方向进行拉伸试验，载荷逐渐增加，加速为500N/s；

[0152] （3）当载荷增加到8KN时，停止加载，并保持5s；

[0153] （4）反向释放载荷，减速度也是500N/s，直至载荷为0；

[0154] （5）记录整个过程中载荷和位移的关系，并绘制曲线；

[0155] （6）整个过程中若试验载荷未到8KN，而产品破环，则立即停止试验。

[0156] 经测试得到，本发明的固定铰功能上满足铰链连接且承受大于径向15kN剪切静载荷、轴向8kN抗弯静载荷的使用要求，其结构力学性能比单纯使用高温合金的制作的固定铰链更加优异。

[0157] 经过测试，本发明实施例1 3中的固定铰链的各个构件材料的弹性模量大于~60GPa，拉伸强度大于50MPa，弯曲强度大于100MPa。而对比例1和对比例2的固定铰链的各个构件材料的弹性模量均小于60GPa，拉伸强度均小于50MPa，弯曲强度均小于100MPa。

[0158] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种LED无机封装支架及其封装方法	2021-01-12	3
利用无机填料降低竹/塑复合材料热膨胀系数的方法	2020-05-23	5
构件和加工构件的方法	2020-12-04	2
氧传感器的密封装置	2021-01-16	0
一种高导热低膨胀系数稀土铝合金传输材料及其制备方法	2021-07-13	4
包括降低热膨胀系数(CTE)并减小翘曲的无机材料的基板	2020-05-30	4
切割层叠强化玻璃基材的方法	2020-09-01	2
一种超高功率陶瓷基板LED封装结构	2022-03-05	1
一种LED封装结构	2022-08-17	2
超软涂锡铜带	2022-09-30	1

一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链及制备方法

一种耐高温烧蚀炭/炭化硅复合材料固定铰链及制备方法

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：