[发明专利]原位生长碳纳米管增强TiNi高温钎料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钎料制备领域；具体涉及原位生长碳纳米管增强TiNi高温钎料的制备方法。

背景技术

陶瓷、复合材料具有重量轻、硬度高，具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性以及良好的化学稳定性，在航空、航天、汽车等领域应用前景广阔。然而，陶瓷、复合材料的塑性低、加工成型性差，难以单独使用。实际应用中常采用连接技术制成陶瓷、复合材料与金属复合构件，在电力电子、航空航天、能源交通等领域具有广阔的应用前景。尤其是在航空航天领域，需要复合构件在高温、高压等极端环境下服役，如火箭发动机的喷管和燃烧仓、航天飞机的涡轮发动机零部件等。因此，如何获得具有优异的耐高温和抗热震性能的陶瓷、复合材料与金属复合构件是实现这一系列应用的瓶颈。

在众多的连接方法中，钎焊方法以工艺简单、连接强度高、相对成本低、适合工业规模生产等一系列优点，成为陶瓷、复合材料与金属连接的理想途径之一。利用钎焊方法连接高温应用的复合材料与金属复合构件时，存在以下几个突出问题：(1)接头的应力问题，陶瓷、复合材料与金属的热膨胀系数差异大，钎焊的过程中接头易产生较大的热应力。(2)接头的高温性能问题，为了满足复合构件的高温使用要求，则需接头在高温下仍具有良好的连接强度。(3)钎料与母材的界面反应问题，界面反应不充分以及反应层不连续等问题均会对接头性能产生严重的影响。传统TiNi钎料难以满足上述要求。已有研究表明，陶瓷、复合材料与金属连接构件的高温使用性，关键取决于钎料的高温力学性能。因此，迫切需要开发一种新型钎料，以满足以上要求。

碳纳米管(CNTs)是一种新型的二维管状碳纳米材料，具有极高的弹性模量和拉伸强度，低的密度和热膨胀系数、良好的韧性、耐高温以及化学稳定性。可依靠碳纳米管的本身优异的力学性能，以及弥散强化和晶粒细化作用来改善钎料性能，缓解钎焊接头的残余应力，提高钎焊接头的力学、热学及高温性能，最终实现陶瓷、复合材料与金属材料的高质量连接及高温使用。另外，碳纳米管的密度极小，这对于以减少重量为永久目标的航空航天业有重要意义。

发明内容

本发明要解决传统TiNi钎料在钎焊连接陶瓷、复合材料与金属时存在的热应力大及接头高温力学性能差等问题；而提供原位生长碳纳米管增强TiNi高温钎料的制备方法。本发明克服了碳纳米管在复合钎料中的均匀分散性以及结构的完整性，并且避免钛与碳相互反应等技术性难题，开发制备一种具有低热膨胀系数、良好力学及高温性能的碳纳米管增强TiNi复合钎料。从而，通过复合钎料中碳纳米管的增强效果，缓解钎焊接头的残余应力，提高钎焊接头的力学、热学及高温性能，实现复合构件的可靠连接及高温使用。

原位生长碳纳米管增强TiNi高温钎料的制备方法是按下述步骤进行的：

一、按照Ti/Ni原子百分比1∶1称取TiH₂粉和Ni粉后混合，再加入六水硝酸镍(Ni(NO₃)₂·6H₂O)，六水硝酸镍的质量是TiH₂粉和Ni粉总质量的5％～10％，加入无水乙醇使六水硝酸镍的溶液浓度为0.1mol/L，机械搅拌30分钟，然后加热且机械搅拌至无水乙醇全部挥发，得到TiH₂-Ni复合粉末；

二、将步骤一获得的TiH₂-Ni复合粉末均匀铺于石英舟中，将石英舟放入等离子体增强化学气相沉积设备中，抽真空至5Pa以下，通H₂作为还原气体，H₂流量为20sccm，调节并维持压强在200Pa，然后以30℃/min的速度升温至工作温度500～570℃，通入CH₄气体，调节H₂和CH₄的总流量为50sccm，调节并维持压强500Pa～800Pa，沉积系统射频电源频率为13.56MHz，射频功率为175W，沉积时间为10～30分钟，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，停止通入CH₄气体，以H₂为保护气体，H₂流量为20sccm，工作压强为200Pa，冷却到室温，即获得碳纳米管增强的TiNi复合钎料。