[发明专利]一种陶瓷基纤维编织复合材料与金属材料的碳纳米管辅助钎焊方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维编织复合材料与金属材料的钎焊方法。

背景技术

陶瓷基纤维编织复合材料因其优异的性能，在航天、航空、汽车等领域中的应用十分广泛。随着应用的不断拓展，陶瓷基纤维编织复合材料与金属材料之间的连接逐渐成为制约材料使用的关键问题。在目前的工程应用中，胶接、机械连接、焊接为材料连接的主要方式。胶接存在粘接剂老化失效和耐高温性能差的问题，机械连接会给结构增加额外的重量，同时很多复合材料难以进行机械加工。钎焊连接具有接头强度高、密封性好、工艺简单等优点，因此在材料的连接领域具有广泛的应用。但是由于陶瓷基纤维编织复合材料与金属材料之间的物理化学性质的巨大差异，钎焊的过程中接头极易产生较大的热应力，且陶瓷基纤维编织复合材料侧钎料不易润湿难以形成冶金结合，使得采用普通钎焊连接复合材料与金属材料的强度偏低。

发明内容

本发明要解决现有的陶瓷基纤维编织复合材料与金属材料钎焊过程中，钎料对复合材料表面润湿性差，陶瓷基纤维编织复合材料与金属材料连接的接头强度低的问题，而提供一种陶瓷基纤维编织复合材料与金属材料的碳纳米管辅助钎焊方法。

本发明一种陶瓷基纤维编织复合材料与金属材料的碳纳米管辅助钎焊方法按以下步骤进行：

一、将陶瓷基纤维编织复合材料浸入浓度为0.05mol/L～0.15mol/L的铁基或镍基催化剂溶液中，3～10min后将陶瓷基纤维编织复合材料提出并在大气环境中晾置4～6h，得到表面附着一层催化剂颗粒的陶瓷基纤维编织复合材料；

二、a、将步骤一得到的表面附着一层催化剂颗粒的陶瓷基纤维编织复合材料置于等离子体增强化学气相沉积设备的反应室中，抽真空至反应室真空度低于10Pa后，通入H₂至反应室压强为50～500Pa；b、将反应室温度升至750℃～900℃后通入CH₄，调节H₂和CH₄的流量，使反应室压强为700Pa；c、打开沉积系统射频电源，反应5～20min后关闭加热和射频电源，停止通入CH₄，继续通入H₂，使反应室内压强为50～500Pa，冷却至室温得到表面生长有碳纳米管的陶瓷基纤维编织复合材料；

三、在步骤二得到的表面生长有碳纳米管的陶瓷基纤维编织复合材料与金属材料的预连接面之间放入钎料箔片并将其置于真空钎焊炉中，在800～950℃下保温5～20min，然后以3～10℃/min的速度冷却至室温，得到陶瓷基纤维编织复合材料与金属材料的连接体。

碳纳米管是由石墨烯层卷制而成的管状纳米材料，具有高强度、高弹性模量、低的密度和热膨胀系数等优异特性，其强度可达钢材料的6倍，但密度只有钢材料的1/6。由于碳纳米管优良的力学、热学性能，碳纳米管被认为是复合材料领域理想的增强体之一，常用其来增强复合材料强度和弹性模量。目前，碳纳米管增强铝基、钛基和铜基等复合材料方面已经取得了一定进展。因此，可以在钎焊中应用碳纳米管改善陶瓷基纤维编织复合材料表面焊接状态，缓解钎焊接头热应力，从而提高钎焊接头强度。

本发明一种陶瓷基纤维编织复合材料与金属材料的碳纳米管辅助钎焊方法的原理为：在表面粗糙的陶瓷基纤维编织复合材料表面生长碳纳米管，碳纳米管在纤维表面、基体表面、纤维之间和纤维与基体之间的空隙中生长，使得疏松的材料表面变得致密。生长后复合材料表面状态得到改善，常用活性钎料如AgCuTi可以在生长碳纳米管后的复合材料表面润湿铺展。在用AgCuTi钎料进行钎焊连接，液态钎料可以更好地在复合材料表面铺展，并且能够渗入材料表面的空隙当中，产生钉扎效应，同时钎焊过程中液态钎料与碳纳米管层可形成复合层，由于碳纳米管的高强度、高弹性模量以及低密度和低热膨胀系数等特性，可以在金属材料与复合材料之间形成过渡层，使得金属与复合材料之间由于热膨胀系数差异大而产生的热应力得到有效地缓解，从而提高接头整体的强度。