陶瓷基复合材料是接替金属的新一代战略性热结构材料,突出的优点是耐高温和低密度,在航空、航天、空天和兵器等领域具有广阔的应用前景。随着大型复杂薄壁陶瓷基复合材料构件的需求日益增加,连接成为限制其应用的关键技术。陶瓷基复合材料主要有连续纤维、晶须和颗粒增韧三种增韧方式,而连续纤维增韧又有二维和三维等多种编制方式。陶瓷基复合材料的连接可以分为三种情况:一是根据制造工艺需要进行同种陶瓷基复合材料的连接;二是根据性能设计需要进行的不同编制结构陶瓷基复合材料的连接;三是根据降低成本需要进行的不同增韧方式陶瓷基复合材料的连接。
陶瓷基复合材料的连接主要有粘结和紧固两种。粘结方法虽然很多,但由于大部分釆用金属连接剂而是使用温度受到限制,不适合陶瓷基复合材料的连接。截至2004年7月27日,较为成熟的高温粘结方法大致可以分为反应渗硅法和聚合物热解法两种,而螺栓紧固是一种新的机械连接方法。ARCJoinT(Affordable Robust Ceramic Joining Technology)属于反应渗硅法的一种,连接时把一些碳质混合物放置到接点区域,在100~120摄氏度温度范围内处理10~20分钟,然后把纯硅粉以浆料的形式涂于连接区域周围,加热到1425摄氏度保温5~10分钟,液态硅通过毛细作用渗入连接区域与碳发生反应形成SiC。聚合物热解法是通过应用一种聚合物作为陶瓷先驱体与一些溶剂或陶瓷颗粒等混合,作为中间层置于复合材料待连接面间,加热到一定温度使聚合物发生热解生成陶瓷,生成的陶瓷确保了接头与陶瓷基复合材料的相容性,而且热解温度一般较低。由于粘结是一种脆性连接,可靠性低,严重削弱了陶瓷基复合材料的高韧性和高可靠性的优势。热膨胀失配在连接界面上产生界面应力和缺陷,因而连接面积越大,粘结强度和可靠性越低,而且工艺难度越大。因此,粘结不适合大面积连接。综上所述,粘结存在如下致命弱点:脆性连接降低连接件的可靠性;不适合大型复杂薄壁件的连接。
用陶瓷基复合材料螺栓进行连接不仅连接强度和可靠性高,而且连接构件尺寸和形状不受限制,连接工艺也很简单,但螺栓连接也存在如下缺点:陶瓷基复合材料螺栓加工成本高;对陶瓷基复合材料的结构强度损伤较大;螺栓改变陶瓷基复合材料构件的表面形状。