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耐高温碳化硅复合材料用硅酸盐胶粘剂的制备与性能研究

摘要

胶接技术具有操作过程不损坏基材，施工便捷且无需特殊设备等特点，正逐渐成为

硬质复合材料连接领域的一种重要连接手段。SiC陶瓷基复合材料在当今航空和航天器

热端部件的关键候选材料领域显示出巨大潜力，然而，大型SiC陶瓷基复合材料的制造

成本极高且易碎，因此，制备小型分体部件后胶接组装成型是目前常用手段。本课题针

对SiC陶瓷基复合材料分体部件胶接的发展需求，制备出能够改善硅酸盐胶粘剂适用期

过短与中低温粘接强度不足的改性硅酸盐胶粘剂。

通过设计AlO、SiO、LaPO等无机填料的比例，对硅酸盐胶粘剂进行了适用期与

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胶接性能的初步研究。为进一步延长胶粘剂的适用期，使用聚乙二醇（PEG）进行改性，

通过适用期测试、拉伸剪切强度测试、流变测试、SEM/EDS、FT-IR、TG-MS-IR等测试

方法分别对改性前后胶粘剂的胶接性能、触变性、微观形貌、不同温度的胶粘剂结构演

变与热稳定性进行分析表征。试验结果表明：PEG改性后胶粘剂适用期由40min延长

至90min，拉伸剪切强度平均提高了0.3MPa，较改性前提升了3.61%；PEG改性后胶

粘剂在受外部剪切破坏后结构恢复至90%时所需的时间由80.14s减少至21.75s，显著

改善了触变性，提高了施工涂刷性能与防流淌性能；SEM分析表明，PEG能有效改善

硅酸盐固化时产生的裂纹；分析了PEG延长硅酸盐胶粘剂适用期的机理并通过固化动

力学拟合，由Arrhenius方程计算出的预固化表观活化能由8.47kJ/mol提高至12.61

kJ/mol。

通过结合有机胶粘剂与无机胶粘剂的优点，以环氧树脂改性的方式，制备出了环氧

树脂杂化硅酸盐有机-无机杂化胶粘剂，并通过添加碳化硼（BC）改善了杂化胶粘剂在

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高温煅烧时，由于有机组份分解导致胶接强度下降的问题。使用拉伸剪切强度测试、

SEM/EDS、三维激光显微成像、FT-IR、XRD、TG-MS-IR等测试方法分别对杂化前后胶

粘剂的胶接性能、胶粘剂微观形貌、胶接失效基材界面形貌、胶粘剂在不同温度下的结

构演变与热稳定性进行分析表征。试验结果表明：环氧树脂添加量为30wt%，选用具有

三官能固化剂聚醚胺T403时，固化的胶接接头具有最高胶接强度20.61MPa，较杂化前

的8.56MPa提升了241%，SEM基材失效形貌分析表明，此时SiC胶接破坏基材区域

出现纤维层间分离与撕裂状形貌；当BC添加量为6wt%时，800℃下氧化生成的BO

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填补了高温煅烧产生的孔隙，使胶粘剂的相对体积由70.1%恢复至99.5%，同时生成了

硼硅酸盐玻璃相，此时拉伸剪切强度由8.6MPa提高至14.3MPa，提升了166%。

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

关键词：SiC陶瓷基复合材料；胶接技术；改性硅酸盐胶粘剂；聚乙二醇；环氧树脂

耐高温碳化硅复合材料用硅酸盐胶粘剂的制备与性能研究

ABSTRACT

Adhesivebondingtechnologyisgraduallybecominganimportantmeansofconnectionin

thefieldofhardcompositematerialconnectionduetothecharacteristicsofnon-damagetothe

substrateintheoperationprocess,convenientconstructionandnoneedforspecialequipment.

SiCceramicmatrixcomposi