采用陶瓷先驱体连接陶瓷复合材料的问题及解决方案

采用先驱体聚合物连接陶瓷及其复合材料，所获接头热残余应力小，连接件稳定性能好。但从表6-2和表6-3中可以看出，采用先驱体连接SiC基陶瓷材料，所获连接强度并不是很高。这一方面与所采用的先驱体的种类和性能有关，另一方面是由于在实际连接过程中，当先驱体向陶瓷转化时，发生明显的密度增加和体积收缩，这不但会使连接层内产生空隙等缺陷，而且还会减小连接层与基体间的有效连接面积，导致接头强度下降。因此，应采取如下措施来提高连接强度。

1.选择合理的先驱体聚合物

为提高连接强度，首先应选择高陶瓷产率的先驱体来减少挥发组分，增加固态相，从而减小连接层的体积收缩。另外，应选择目标元素与被连母材成分相近的先驱体，使生成的连接层与母材的化学性质和物理性质达到相容和匹配。从分子结构角度讲，聚合物的构型及与聚合物骨架相连的有机基团决定了陶瓷产率及所得陶瓷的化学组成。线性低相对分子质量聚合物陶瓷产率很低，而有链环状或支化结构的交联结构聚合物则可获得高的陶瓷产率。有机先驱体可以通过分子组成设计、合成条件控制等措施来满足这些要求。

2.在先驱体聚合物中加入适当填料

理论分析表明：不可能直接通过先驱体裂解制备无收缩陶瓷材料，所以采用添加填料的方法可以有效地减小体积收缩率。填料分为惰性填料和活性填料两种。惰性填料在先驱体裂解过程中体积不发生变化，在一定程度上可以抑制产物的体积收缩，但对降低气孔率作用不太明显。活性填料在先驱体裂解过程中能发生一系列化学反应，是降低气孔率和收缩率的有效办法。添加的活性填料不仅能和先驱体裂解产生的碳氢气体（如CH₄）反应，减少挥发成分，而且还可与母材中的元素发生适当的界面反应，促进界面结合。另外，活性填料反应前后产生的体积膨胀，还可以减少连接层的孔隙，增加有效连接面积，有利于陶瓷及其复合材料的连接。

3.改进和完善连接工艺

采用陶瓷先驱体连接陶瓷材料是一种新颖的连接技术，工艺条件的研究还很不成熟，因此，在连接过程中还需要考虑借鉴许多基础的连接工艺方法，如采用选择合适的连接温度及升温速率、在连接过程中施加适当的轴向压力、适当控制连接层厚度等措施来改进和完善连接工艺。

（1）连接温度 温度是陶瓷连接工艺中最重要的参数之一。采用先驱体聚合物连接陶瓷材料温度控制主要包括三方面内容：交联温度、连接温度和升降温速率。

交联温度是指聚合物发生交联固化反应时的温度值，一般在150～300℃温度范围内。交联温度对连接效果有较大影响，在连接过程中当温度升至聚合物的交联温度时，应保持恒温1～2h，使聚合物很好地完成交联固化反应。(www.xing528.com)

连接温度是指连接过程中的所使用的最高温度，它对连接层最终物相的形成及界面的结合起到关键的控制作用。对于陶瓷先驱体聚合物来讲，一般当温度高于800℃时才会发生由有机物向无机陶瓷的转变，所以连接温度一般高于800℃。具体的连接温度应根据所用先驱体的裂解产物情况以及被连接母材的耐温情况而定。

此外，温度参数中的升降温速率也十分关键，一般来说采用先驱体连接陶瓷材料的升降温速率控制在1～5℃/min，这样一方面保证先驱体聚合物充分地完成交联和裂解反应，另一方面也将接头的热残余应力减小至最小。

（2）连接压力 采用先驱体连接陶瓷材料，在连接过程中，轴向压力虽然不是连接的必要条件，尤其在气氛压力存在的情况下。但如果在真空等条件下，施加一定的轴向压力对控制连接层厚度、促进连接层与母材界面紧密结合是有利的。所以应根据所采用的先驱体的性质及连接气氛条件适当地选择连接压力。

（3）浸渍—裂解增强处理 由于采用先驱体所获得的连接层在连接过程中不可避免地会发生体积收缩，因而在连接层内部，尤其是焊缝外围会存在很多孔隙等缺陷。为此，需要在已连好的试样焊缝部位补充先驱体，然后将其再次放入炉中，以同样的升降温速率和连接温度进行再次高温处理。这样不断重复，使连接层更加致密，同时促进了连接层与母材之间的界面结合。

（4）陶瓷材料表面状态 被连接陶瓷材料表面状态对获得理想的连接强度有着重要意义。采用陶瓷先驱体聚合物连接陶瓷材料，一般要求陶瓷表面经过较严格的抛光处理，使其表面粗糙度小于1μm，对纤维增强陶瓷基复合材料来说表面粗糙度小于10μm^[176]。所以在连接前试样表面应经过严格处理，包括磨平、抛光、清洗等，以获得较小的表面粗糙度的母材。

此外，影响连接强度的因素还有气氛条件等。一般来说，连接过程要求在流动的氩气、氮气或真空中进行，这样可以减少氧的过量引入，保证接头高温性能良好。

通过先驱体法连接陶瓷及陶瓷基复合材料，可以得到与被连接材料成分、结构一致或基本一致的连接层，能有效地缓解连接区域由于材料的热膨胀系数、模量等参数差异而造成的热失配。不仅如此，该法还有无需对接头施加机械压力、不需在真空环境中操作等特点。这样，该工艺可有效地对外观结构复杂的构建进行连接，且对工艺处理设备没有高真空度等特殊要求。另外，先驱体法连接陶瓷在先驱体转化法制备陶瓷基复合材料构件过程中有十分重要的用途。在用先驱体转化法制备复杂构件时，可以预先分别制备复杂构件的各个部分，然后在进行整体构件的多次浸渍—裂解制备过程中，通过先驱体转化陶瓷连接的方法使各部分预制件结合成为整体，实现复杂构件的制备—连接一体化，为制备复杂构件提供了一条有效的途径。另外，通过开发不同的先驱体，还可以满足对不同材料进行连接的要求，使得此法具有普适性。