基于聚碳硅烷直接固化的2D C/SiC复合材料粘接方法与室温粘接性能

李旭勤　刘小龙　李向辉　张毅

摘要：为了研究2D C/SiC复合材料的可粘接性，采用聚碳硅烷（PCS）作为粘接剂，经室温固化直接粘接2D C/SiC复合材料。通过测试2D C/SiC连接板在粘接前后的三点弯性能，研究2D C/SiC复合材料的粘接效率，并采用有限元仿真模拟2D C/SiC粘接层的受力状态，揭示其内应力分布。结果表明，PCS可用作2D C/SiC复合材料的室温粘接剂，2D C/SiC粘接件表现出与2D C/SiC复合材料相似的弯曲行为，其平均弯曲强度为126.46±23.95 MPa，粘接效率为41.62%。有限元计算表明，在理想状况下，板以及粘接层能保持为一个整体，不开裂，强度最高，粘接效果最好;当粘接层的材料属性离样板的材料属性越来越远时，两者受力不一致，最终导致开裂，粘接效果差。

關键词：2D C/SiC;连接;强度;有限元仿真

中图分类号：TB332文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2020）02-0015-05

Abstract： In order to study the bondability of 2D C/SiC composites， polycarbosilane （PCS） was used as a binder to directly bond 2D C/SiC composites at room temperature. By testing the three-point bending performance of 2D C/SiC connecting plates before and after bonding， the bonding efficiency of 2D C/SiC composites was studied. The stress state of 2D C/SiC bonding layer was simulated by finite element simulation， revealing internal stress distribution. The results show that PCS can be used as a room temperature adhesive for 2D C/SiC composites. The 2D C/SiC adhesive joints exhibit similar bending behavior as 2D C/SiC composites， with an average bending strength of 126.46±23.95 MPa. The bonding efficiency was 41.62%. The finite element calculation shows that under ideal conditions， the plate and the bonding layer can be kept as a whole without cracking， the strength and the bonding effect is best; when the material properties of the bonding layer are far away from the template， the two forces are inconsistent， which eventually leading to cracking and poor bonding effect.

Keywords：

2D C/SiC;joining;strength;finite element analysis

连续碳纤维增韧补强碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）具有低密度、耐高温、高强度、高韧性，高导热、耐磨损、稳定耐腐蚀等优异性能，成为继C/C复合材料后的新型热结构材料[1-5]。C/SiC构件通常采用连接技术组合装配成型，然而，与金属材料高达40%～60%的连接效率相比，C/SiC连接效率在10%左右。因此，提升C/SiC连接效率已经成为了材料工程领域的研究热点。

常见的C/SiC连接方式有机械连接、胶接、焊接、反应连接等。目前，国内外对 C/SiC复合材料做了许多研究[6-9]。童巧英等[10]研究了Ni基作为连接剂在1 300 ℃、真空条件下对2D C/SiC复合材料连接的显微结构与性能。阙权庆[11]研究了C/SiC复合材料螺栓连接结构热力耦合及拉伸强度。柯晴青等[12]研究了2D C/SiC复合材料的铆接显微结构与性能。张青等[13]通过建立有限元模型研究了C/SiC铆接接头受载下应力分布，验证了铆钉的剪断失效。目前构件连接的研究主要集中于机械连接、螺栓连接和铆接等，对于2D C/SiC复合材料粘接的连接方式研究较少。

本文拟采用聚碳硅烷（PCS）作为粘接剂，经室温固化直接粘接2D C/SiC复合材料。通过测试2D C/SiC连接板在粘接前后的三点弯性能，研究2D C/SiC复合材料的粘接效率，并结合有限元仿真模拟，计算板间受力情况。研究结果将为2D C/SiC复合材料粘接设计提供依据，为陶瓷基复合材料构件研制奠定基础。

1 实验材料及方法

1.1 2D C/SiC复合材料的制备

本实验采用由西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室制备的2D C/SiC复合材料平板[14-15]，采用金刚石刀片将平板切割成连接板，尺寸如图1所示。

2D C/SiC复合材料平板制备包括3个步骤：

第1步，碳纤维预制体的制备。2D C/SiC 复合材料预制体制备过程如下：采用日本Tory 公司生产的90° 正交T-300TM 碳纤维布。

第2步，沉积热解碳层。为了保护纤维，缓解界面应力，降低界面结合强度，改善基体与纤维的结合，需要在沉积SiC基体之前，在碳纤维表面先原位沉积一层热解碳（PyC）界面相。选用丙烯（C3H8）为气源，沉积温度为960 ℃，沉积时间为60 h，PyC界面相厚度约0.2 μm。

第3步，SiC 基体沉积。采用CVI工艺在碳界面层—纤维预制体内沉积SiC基体，获得C/SiC 复合材料。制备SiC 基体所选用的气源为三氯甲基硅烷（CH3SiCl3，简称MTS）。制备过程中，选用氩气（Ar）作为稀释气体来控制反应速度，选用高纯氢气（H2）作为MTS的载气。H2通过鼓泡的方式将MTS带入到高温沉积炉中，H2与MTS 的流量之比为10。沉积温度为1 000 ℃，沉积压力为5 kPa，沉积时间为120 h。所得到的2D C/SiC复合材料的密度约为2.0 g/cm3，残余气孔率为17%。复合材料在连接过程结束后，对整个构件进行SiC续沉积，完成复合材料的制备过程。

1.2 2D C/SiC粘接试样的制备

粘接剂采用北京航天凯恩化学研究所提供液态超支化聚碳硅烷（PCS），分子量在760左右，是一种浅黄色液体材料，其固化过程无需添加交联剂。

将液态超支化聚碳硅烷（PCS）均匀涂敷在2D C/SiC连接板的开孔区域，两块连接板配对，在室温环境下经20 h固化，形成粘接试样。

1.3 2D C/SiC粘接试样的三点弯断裂试验

采用电子万能试验机分别对未粘接的12个跨距40 mm的2D C/SiC连接板和5个跨距100 mm的2D C/SiC粘接试样进行三点弯断裂试验，试验方法为ASTM-C1341-13，室温条件下进行，试验机的型号为MTS 4304，采用位移加载模式，加载速率为0.05 mm/min。三点弯断裂试验，如图2所示。

2 结果与讨论

2.1 2D C/SiC粘接性能

2D C/SiC未粘接试样三点弯失效情况和弯曲应力位移曲线，如图3所示，2D C/SiC复合材料在弯曲应力作用下，底部受拉，发生弯曲断裂。从弯曲应力位移曲线中可见，所有试样的测试曲线呈现较高重合性。达到峰值之前，曲线呈线性，该阶段主要是碳纤维承载，之后纤维断裂。在达到峰值之后，曲线下降，表现出一定的非线性断裂过程。由弯曲强度公式计算出未粘接连接板的弯曲强度，如表2所示。

2D C/SiC未粘接连接板试样平均强度为303.86 MPa，标准方差为32.73，变异系数为10.77。

2D C/SiC粘接试样三点弯失效情况和弯曲应力位移曲线，如图4所示。试样数量5件，无效试样1件，由失效情况可见，2D C/SiC粘接试样在靠近第一排孔位置发生弯曲断裂，其他粘接区完好。表明粘接区域的刚度与强度足够，不会使得裂纹向粘接区扩展。从弯曲应力位移曲线看出，试样的重合性高，粘接性能稳定。

由弯曲强度公式计算出2D C/SiC粘接板的室温弯曲强度，如表3所示。由表可知，2D C/SiC粘接试样的平均弯曲强度为126.46 MPa，标准方差为23.95，变异系数为18.94。

对比2D C/SiC 复合材料粘接试样与未粘接试样的弯曲结果可知，采用PCS粘接剂，经室温固化可形成粘接区域，该区域的粘接效率（粘接后的三点弯强度/粘接前的三点弯强度）为41.62%。

2.2 2D C/SiC粘接板弯曲失效的有限元计算

2.2.1 粘接层材料属性与2D C/SiC一致

当粘接层材料属性与2D C/SiC一致时，为理想的连接情况。加力板的受力情况，如图5所示，应力主要集中在中间，MISES应力为216.7 MPa。受力板的受力情况，如图6所示，MISES应力集中在中间绿色部分，为438.1 MPa;粘接板的受力情况，如图7所示，MISES应力集中在中间，为35.93 MPa。因此，当粘接层材料属性与2D C/SiC一致时，在弯曲应力作用下，最下层的受力板受力最大，发生弯曲失效。

2.2.2 粘接层材料属性为2D C/SiC的1/2

当粘接层材料属性为2D C/SiC 1/2时，可计算出粘接试样的受力情况。加力板的受力情况，如图8所示，应力主要集中在中间，MISES应力为217.8 MPa。受力板的受力情况，如图9所示，MISES应力最大为438.0 MPa;粘接板的受力情况，如图10所示，MISES应力集中在中间，为19.02 MPa。因此，当粘接层材料属性为2D C/SiC 1/2时，在弯曲应力作用下，最下层的受力板受力最大，发生弯曲失效。

2.2.3 粘接层材料属性与2D C/SiC呈其他倍数关系

综合以上有限元分析可以得到其差别不是很大，因为加力板、受力板均为2D C/SiC复合材料，材料数据并没有发生很大变化，所以在后文中，将不再展示两块板的有限元的计算结果，仅展示其材料数据不同的中间粘接层的有限元计算结果。

粘接层材料属性为2D C/SiC属性的1/4、1/8和1/10时的粘接层MISES应力计算结果，如图11～图13所示。相应的MISES最大应力逐渐减小，分别为10.46 MPa，6.131 MPa和5.949 MPa。

上述计算表明，改变粘接层的材料属性继续模拟计算，MISES应力集中在受力板、粘接层和加力板的中间部分，因而粘接试样的受力底部最容易断裂，这与本实验的失效模式一致，如图4所示。

随着粘接层材料属性降低，中间粘接层的受力在不断降低，且应力集中区域在缩小。按最大应力失效准则，表明粘接层材料属性越接近2D C/SiC，粘接效率最高。当粘接为理想状况下，样板以及粘接层保持一个整体，不开裂，强度最高，粘接效果最好;当粘接层的材料属性离样板的材料属性越来越远时，两者受力就不一样，容易开裂，粘接效果差。本研究采用PCS粘接剂，使得2D C/SiC粘接試样由下面的受力板弯曲断裂，而非中间粘接层断裂，表明PCS粘接层的力学性能接近2D C/SiC复合材料属性，可以用作其室温粘接剂。

3 结论

通过采用聚碳硅烷PCS粘接2D C/SiC复合材料，测试2D C/SiC粘接试样的三点弯断裂性能，以及相应的有限元计算，得到相关结论如下：

1）确定PCS可以用来粘接2D C/SiC复合材料，未粘接试样弯曲强度为303.86±32.73 MPa;粘接试样弯曲强度为126.46±23.95 MPa，粘接效率41.62%。采用PCS粘接剂，使得2D C/SiC粘接试样由下面的受力板弯曲断裂，而非中间粘接层断裂。

2）有限元模拟计算得出，当粘接为理想状况下，样板以及粘接层保持一个整体，不开裂，强度最好，粘接效果最好，当粘接层的材料属性离样板的材料属性越来越远时，两者受力就不一样，容易开裂，粘接效果差。PCS粘接层的力学性能接近2D C/SiC复合材料属性，可以用作其室温粘接剂。

参考文献：

[1]张立同， 成来飞. 连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨[J]. 复合材料学报 2007， 24（2）： 1-6.

[2]NASLAIN R. Design， preparation and properties of non-oxide CMCs for application in engines and nuclear reactors： an overview [J]. Composite Science Technology， 2004， 64（2）： 155-170.

[3]YIN X W， CHENG L F，ZHANG L T，et al. Fibre-reinforced multifunctional SiC matrix composite materials [J]. Metallurgical reviews， 2016， 62（3）： 117-172.

[4]穆柏春. 陶瓷材料的强韧化 [M].北京：冶金工业出版社， 2002.

[5]张立同， 成来飞， 徐永东. 新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展[J]. 航空制造技术， 2003 （1）： 24-32.

[6]CHAWLA K K. Ceramic matrix composite，second edition[M].Netherlands：Kluwer Academic Publisher， 2003： 398.

[7]ROSSO M. Ceramic and metal matrix composites： routes and properties [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2006， 175（1-3）： 364-375.

[8]FITZER E， GADOW R N. Fiber-reinforced silicon carbide [J]. American Ceramic Society Bulletion， 1986， 65（2）：326-335.

[9]KATOH Y， Dong S M， KOHYAMA A. Thermo-mechanical properties and microstructure of silicon carbide composites fabricated by nano-infiltrated transient eutectoid process [J]. Fusion Engineering and Design， 2002（61-62）： 723-731.

[10]童巧英，成来飞，张立同. 二维C/SiC复合材料连接的显微结构与性能[J].材料工程，2002（11）：14-16，21.

[11]阙权庆. C/SiC复合材料螺栓连接结构热力耦合及拉伸强度分析 [D].哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2018.

[12]柯晴青， 成来飞， 童巧英， 等. 二维C/SiC复合材料的铆接显微结构与性能研究 [J]. 稀有金属材料与工程， 2006，35（9）：1497-1500.

[13]张青， 刘永胜，门静，等. 受剪载荷下C/SiC铆接接头应力数值模拟与实验验证[J]. 稀有金属材料与工程， 2014， 43（2）：327-330.

[14]成来飞，张立同，梅辉，等.化学气相渗透工艺制备陶瓷基复合材料[J].上海大学学报（自然科学版），2014，20（1）：15-32.

[15]張立同. 纤维增韧碳化硅陶瓷复合材料：模拟、表征与设计[M].北京：化学工业出版社， 2009.