【摘要】：耐高溫膠粘劑作為一種方便有效的連接手段,是飛行器設(shè)計的重要組成部分。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,高速度、高精度、隱形化的高超聲速飛行器成為研究的熱點。在高馬赫(5Ma)飛行條件下,氣動加熱導(dǎo)致飛行器面臨高溫環(huán)境。因此,研究滿足1500℃條件下使用的耐高溫膠粘劑對高超聲速飛行器的發(fā)展具有重要意義。本課題選用三硅醇苯基倍半硅氧烷改性甲基苯基硅樹脂(POSS-MPSR)為基體,耐高溫粒子、金屬鎳為改性填料,改性短切碳纖維為增強相制備了系列耐高溫膠粘劑(HTOA)。從工程應(yīng)用和理論角度出發(fā)開展了如下研究工作:(1)POSS-MPSR的熱穩(wěn)定性,HTOA基體的高溫反應(yīng)及高溫結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化行為;(2)HTOA接頭的界面反應(yīng)及界面自生長Si C nanowires(Si CNWs);(3)HTOA基體自生長Si CNWs增韌和短切碳纖維-Si CNWs復(fù)合結(jié)構(gòu)的增韌機理。將MPSR、5%Tri Silanol Phenyl POSS和固化促進(jìn)劑進(jìn)行分散復(fù)合,通過共固化獲得POSS-MPSR,其在1000℃條件下的熱失重率為9%。選用Zr B2、Si O2、Si為耐高溫填料,研究了HTOA基體的高溫反應(yīng)、高溫結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化、粘接強度以及與Zr B2-Si C-graphite復(fù)合陶瓷(ZSG)的界面反應(yīng)。實驗結(jié)果表明:在氧乙炔焰沖刷下,HTOA基體表面形成了致密的Si O2保護(hù)層,基體內(nèi)部形成含有Si O2、Zr O2、Zr Si O4等組成的結(jié)構(gòu)層。在1500℃條件下,HTOA和ZSG陶瓷相互擴(kuò)散形成反應(yīng)層,實現(xiàn)了高溫條件下HTOA同ZSG陶瓷的有效粘接。經(jīng)1500℃/1h處理之后,HTOA與ZSG陶瓷粘接強度為53.8MPa。隨著熱處理時間的增加,膠接界面過渡層厚度增加,ZSG基體被過度氧化生成薄弱層。以金屬鎳粉為改性劑,研究了填加量分別為5%、10%、15%時HTOA基體的組織結(jié)構(gòu)及粘接強度。研究結(jié)果表明:在1500℃條件下,熔融的金屬鎳可以有效彌合HTOA高溫分解生成的孔洞,阻止O2向膠層中擴(kuò)散,從而有效地降低了粘接界面處的氧分壓,進(jìn)而改變了粘接接頭界面的高溫氧化行為。當(dāng)鎳含量10%時,HTOA經(jīng)1500℃/1h處理后剪切強度為36.5MPa,經(jīng)1500℃熱處理3h后粘接強度為25.4MPa。同時利用鎳為活性中心,HTOA膠層和ZSG陶瓷高溫氧化生成的CO(g)為碳源、Si O(g)為硅源;通過vapor liquid solid(V-L-S)機理實現(xiàn)了粘接界面Si CNWs的自生長。通過提高界面膠層的模量和強度,提高了HTOA接頭的界面強度。當(dāng)HTOA粘接件發(fā)生破壞時,粘接界面自生長Si CNWs的拔出或斷裂將消耗更多的能量,從而提高HTOA的粘接強度。為了進(jìn)一步實現(xiàn)對HTOA基體的高溫增強增韌,以石墨片為改性劑,高溫氧化生成CO(g),利用V-L-S機理實現(xiàn)了HTOA內(nèi)Si CNWs的自生長。研究了溫度及1500℃條件下不同時間對HTOA基體自生長Si CNWs形貌及其粘接性能的影響。研究結(jié)果表明:隨著溫度的升高,Si CNWs的直徑越細(xì);隨著1500℃條件下熱處理時間的增加,生成的Si CNWs密度增高;自生長Si CNWs增韌的HTOA粘接強度和抗熱震性均得到了明顯提高;經(jīng)1500℃/1h高溫處理后,粘接強度為38.0MPa;經(jīng)氧乙炔熱震后,粘接強度為13.6MPa,強度保留率為35.79%。以表面附載金屬鎳的短切碳纖維為增強體,研究了短切碳纖維-Si CNWs復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成機制及增韌機理。研究結(jié)果表明:短切碳纖維-Si CNWs復(fù)合結(jié)構(gòu)具有明顯的增強增韌作用;經(jīng)1500℃/1h高溫處理后,粘接強度為37.0MPa;經(jīng)氧乙炔熱震后,粘接強度為14.5MPa,強度保留率為39.19%。短切碳纖維-Si CNWs復(fù)合結(jié)構(gòu)增韌的HTOA具有最佳的抗熱震性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ433.438

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本文編號：2320971