一种用于碳化硅陶瓷基复合材料表层损伤的修复剂及修复方法
技术领域
本发明属于陶瓷基复合材料及其工程应用领域，涉及一种用于碳化硅陶瓷基复合材料表层损伤的修复剂及修复方法。
背景技术
以连续碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(简称C/SiC)和连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(简称SiC/SiC)为典型代表的碳化硅陶瓷基复合材料是高超声速飞行器、空天往返飞行器、冲压发动机、燃气涡轮发动机用防热结构的主要材料之一。由于此类材料本身具有一定的脆性，采用这种材料制备的构件产品在运输、装配、日常维护和反复使用后，有可能由于各种原因对构件造成表面涂层脱落或纤维层刮蹭等表层损伤，从而影响构件的防热性能。同时，碳化硅陶瓷基复合材料构件的制备成本高、工艺周期长，由于表层损伤而导致的构件整体报废将大大增加产品的研制成本和周期。因此，亟需针对碳化硅陶瓷基复合材料的常见表层损伤发展简单便捷的修复剂及修复方法。
公告号为CN111039698A的中国专利公开了一种碳化硅陶瓷基复合材料构件热防护涂层的修复方法。该方法采用聚碳硅烷、碳化硅粉体和硅硼碳氮先驱体等试剂混合，先后制备结合层、过渡层和致密化层。该方法需多次在高温下进行热处理，且需要辅助定型固化。因此，该方法需要较为复杂的加热设备和定型模具，无法实现构件的现场在线修复。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于碳化硅陶瓷基复合材料表层损伤的修复剂及修复方法，克服陶瓷基复合材料表层损伤修复难、工艺性差、周期长的问题。具有修复效果好、工艺性强、成本低、便于现场操作等优点。
技术方案
一种用于碳化硅陶瓷基复合材料表层损伤的修复剂，其特征在于包括固态聚碳硅烷、二甲苯、碳化锆粉、碳化硅粉和碳化硅晶须；组份的质量比1∶1.2～1.8∶0.2～0.6∶0.8～1.5∶0.01～0.15。
一种制备所述用于碳化硅陶瓷基复合材料表层损伤的修复剂的方法，其特征在于：将质量比1∶1.2～1.8∶0.2～0.6∶0.8～1.5∶0.01～0.15的固态聚碳硅烷、二甲苯、碳化锆粉、碳化硅粉和碳化硅晶须与氧化锆球磨珠一并装入密封球磨罐，以50～120转/min的转速下球磨5～25h；球磨完毕后采用磁力搅拌器以120～180转/min的转速下搅拌30～45min。
一种利用所述用于碳化硅陶瓷基复合材料表层损伤的修复剂进行碳化硅陶瓷基复合材料表层损伤的修复方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、清理损伤区域：使用金刚石锉刀打磨构件损伤区域，保证损伤区域表面无凹凸，消除高点，顺滑过渡；用经过乙醇浸湿的无尘布擦拭损伤区域，使其充分干燥，无可见灰尘和浮渣；
步骤2、涂刷修复剂：将修复剂均匀涂刷到损伤区域，不得有流挂现象；涂刷后用调至100～150℃条件缓慢反复吹扫涂刷表面不少于30s，直至修复区表面无粘黏现象；此步骤重复多次；
步骤3、修复区清理：待修复剂完全冷却后，对刷涂区域进行抛光打磨，保证刷涂区域与毗连区域光滑过渡，无因刷涂不均匀而产生的凸起或凹陷；随后，采用无尘布轻拭修复区域，去除灰尘和浮渣；
所述修复层的使用温度范围为-120～1400℃。
所述充分干燥：在50～100℃条件吹扫擦拭区或在室温空气条件下静置5～10min。
所述步骤2的重复执行多次为2～5次。
所述步骤3的抛光打磨采用600目砂纸对刷涂区域进行抛光打磨。
有益效果
本发明提出的一种用于碳化硅陶瓷基复合材料表层损伤的修复剂及修复方法，根据碳化硅陶瓷基复合材料本体物理性能和表层损伤特点，开发了一种低成本、易操作的修复剂及其修复方法。由于采用了合理比例的固态聚碳硅烷、二甲苯、碳化锆粉、碳化硅粉和碳化硅晶须，形成了粘度适中的液态物质，从而实现现场涂刷的修复剂。该修复剂的化学成分能够在自然环境下快递形成与碳化硅陶瓷基复合材料具有良好物理化学相容性的修复层。
该修复剂的配制和施工过程无需特种设备和高温处理，工艺性强，可在损伤构件的现场进行在线操作。使用这种修复剂修复表面损伤后，可在损伤区形成与碳化硅陶瓷基复合材料本体具有良好物理化学相容性的修复层，其结合强度高，耐温性高。合理的修复工艺参数和合理比例的固态聚碳硅烷、二甲苯、碳化锆粉、碳化硅粉和碳化硅晶须的配合，使修复层的使用温度范围为-120～1400℃，短时可达1650℃。
附图说明
图1为本发明所述碳化硅陶瓷基复合材料表层损伤修复步骤
图2为存在多处表层损伤的碳化硅陶瓷基复合材料构件照片。
图3为采用本发明所述修复剂和修复方法处理后的碳化硅陶瓷基复合材料构件照片。
图4为采用本发明所述修复剂和修复方法处理后的碳化硅陶瓷基复合材料构件经历1600℃高温等离子电弧风洞烧蚀600s后的照片。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
某连续碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料构件表面存在面积约30×30mm2的表面涂层脱落，并肉眼可见其纤维预制体断层，最大损伤深度约0.3mm。其修复步骤如下：
步骤1：配制修复剂。采用天平分别称取固态聚碳硅烷、二甲苯、碳化锆粉、碳化硅粉和碳化硅晶须，其质量比为1:1.4:0.3:1:0.1；将固态聚碳硅烷、二甲苯、碳化锆粉、碳化硅粉、碳化硅晶须和直径为8mm的氧化锆球磨珠一并装入密封球磨罐，以80转/min的转速下球磨10h；将球磨完毕的料液取出至试剂瓶内，并采用磁力搅拌器以120转/min的转速下持续搅拌待用。
步骤2：清理损伤区域。使用金刚石锉刀打磨构件损伤区域，保证损伤区域表面无凹凸，消除高点，顺滑过渡；用经过乙醇浸湿的无尘布擦拭损伤区域，在室温空气条件下静置10min，确认无肉眼可见灰尘和浮渣。
步骤3：涂刷修复剂。用细毛刷蘸取待用修复剂，并均匀涂刷到损伤区域，确认无流挂现象。涂刷完一遍后用手持式热风枪调至100℃条件缓慢反复吹扫涂刷表面30s。此步骤重复执行3次。
步骤4：修复区清理。采用600目砂纸对刷涂区域进行抛光打磨，保证刷涂区域与毗连区域光滑过渡，无因刷涂不均匀而产生的凸起或凹陷；随后，采用无尘布轻拭修复区域，去除灰尘和浮渣。完成修复。
实施例2：
某连续碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料构件表面存在面积约80×50mm2的表面涂层脱落，最大损伤深度约0.15mm。其修复步骤如下：
步骤1：配制修复剂。采用天平分别称取固态聚碳硅烷、二甲苯、碳化锆粉、碳化硅粉和碳化硅晶须，其质量比为1:1.6:0.5:1.2:0.02；将固态聚碳硅烷、二甲苯、碳化锆粉、碳化硅粉、碳化硅晶须和直径为8mm的氧化锆球磨珠一并装入密封球磨罐，以80转/min的转速下球磨10h；将球磨完毕的料液取出至试剂瓶内，并采用磁力搅拌器以100转/min的转速下持续搅拌待用。
步骤2：清理损伤区域。使用金刚石锉刀打磨构件损伤区域，保证损伤区域表面无凹凸，消除高点，顺滑过渡；用经过乙醇浸湿的无尘布擦拭损伤区域，在室温空气条件下静置10min，确认无肉眼可见灰尘和浮渣。
步骤3：涂刷修复剂。用细毛刷蘸取待用修复剂，并均匀涂刷到损伤区域，确认无流挂现象。涂刷完一遍后用手持式热风枪调至100℃条件缓慢反复吹扫涂刷表面30s。此步骤重复执行2次。
步骤4：修复区清理。采用600目砂纸对刷涂区域进行抛光打磨，保证刷涂区域与毗连区域光滑过渡，无因刷涂不均匀而产生的凸起或凹陷；随后，采用无尘布轻拭修复区域，去除灰尘和浮渣。完成修复。
实施例3：
某连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料构件表面存在面积约20×20mm2的表面涂层脱落，最大损伤深度约0.3mm。其修复步骤如下：
步骤1：配制修复剂。采用天平分别称取固态聚碳硅烷、二甲苯、碳化锆粉、碳化硅粉和碳化硅晶须，其质量比为1:1.5:0.3:1.5:0.12；将固态聚碳硅烷、二甲苯、碳化锆粉、碳化硅粉、碳化硅晶须和直径为8mm的氧化锆球磨珠一并装入密封球磨罐，以120转/min的转速下球磨20h；将球磨完毕的料液取出至试剂瓶内，并采用磁力搅拌器以120转/min的转速下持续搅拌待用。
步骤2：清理损伤区域。使用金刚石锉刀打磨构件损伤区域，保证损伤区域表面无凹凸，消除高点，顺滑过渡；用经过乙醇浸湿的无尘布擦拭损伤区域，在室温空气条件下静置10min，确认无肉眼可见灰尘和浮渣。
步骤3：涂刷修复剂。用细毛刷蘸取待用修复剂，并均匀涂刷到损伤区域，确认无流挂现象。涂刷完一遍后用手持式热风枪调至100℃条件缓慢反复吹扫涂刷表面30s。此步骤重复执行4次。
步骤4：修复区清理。采用600目砂纸对刷涂区域进行抛光打磨，保证刷涂区域与毗连区域光滑过渡，无因刷涂不均匀而产生的凸起或凹陷；随后，采用无尘布轻拭修复区域，去除灰尘和浮渣。完成修复。
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