[发明专利]碳/碳复合材料与金属材料的连接件及生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳/碳复合材料的连接，具体地说是一种碳/碳复合材料与金属材料的连接件及生产方法。

背景技术

碳/碳复合材料具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，是最有发展前途的高温材料之一。碳/碳复合材料由于其独特的性能，已广泛应用于航空航天、汽车工业、医学方面等领域。

但是，在一些应用领域及场合，需要碳/碳复合材料与金属连接。然而，碳/碳复合材料与金属在晶体结构、物理化学特性等方面有较大差异，碳/碳复合材料与大多数金属的润湿角大于90°，无法直接连接。这就需要在碳/碳复合材料与金属两材料间添加第三种材料，制备连接层，从而实现碳/碳复合材料与金属的连接。

文献1：“Cu-Cr合金熔覆表面改性碳/碳复合材料，矿冶工程，2007(06)：P58～P60”，采用Cu-Cr二元合金为原料，在真空加热装置中，温度为1200～1600℃，真空度小于10 Pa条件下，对碳/碳复合材料实施表面熔覆处理。结果表明，熔覆促使合金中的Cr元素富集于碳/碳复合材料表面，并与C元素原位反应生成Cr₃C₂；该反应物呈层状连续分布于碳/碳复合材料表面，在碳/碳复合材料与金属之间起界面过渡作用，有助于改进两者间的连接性。

文献2：“Direct joining of CFC to copper. Journal of Nuclear Materials，2004. 329-333，Part B(0):P1563～P1566”中提到通过在碳/碳复合材料表面涂刷一层Mo-Cr合金粉末料浆，在1000℃以上的真空炉中制得了厚度为5～10μm的合金涂层，进而可以将碳/碳复合材料直接与Cu进行连接。

文献1、文献2公开的两种方法通过高温、低压形成的金属连接层，都存在金属层厚度难以控制以及不均匀的问题，同时金属在凝固过程中分布不均匀，会生成许多枝晶、孪晶和其它的晶体缺陷，导致连接件的力学性能不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳/碳复合材料与金属材料的连接件及生产方法。

本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种碳/碳复合材料与金属材料的连接件，它包括碳/碳复合材料基层坯体、金属材料基层坯体及连接碳/碳复合材料基层坯体与金属材料基层坯体的连接层，所述的连接层为制备在碳/碳复合材料基层坯体表面的金属粒子层，所述的金属粒子层为碳/碳复合材料基层坯体经液相浸渍、煅烧还原步骤制备。

本发明所述金属粒子层的厚度为0.01μm～100μm。

本发明所述的金属材料基层坯体由合金或铜或铝或铁中的一种材料制备。

本发明所述连接件的碳/碳复合材料基层坯体、金属材料基层坯体界面的剪切强度为10MPa～50MPa。

一种碳/碳复合材料与金属材料的连接件生产方法，它包括下列步骤：

⑴碳/碳复合材料基层坯体制备：将碳/碳复合材料坯体机加工成所需形状的碳/碳复合材料基层坯体，洗涤、烘干后备用；

⑵浸渍：将步骤⑴制得的碳/碳复合材料基层坯体放入装有含有至少一种金属离子的醇水溶液的容器中浸渍1h～50h，然后将溶液升温到80℃～150℃，保温1h～10h，冷却至室温后，将碳/碳复合材料基层坯体从容器中取出常温下阴干，即在碳/碳复合材料基层坯体表面制备金属盐涂层；

⑶连接层制备：将步骤⑵制得的碳/碳复合材料基层坯体放入还原炉中，在300℃～1200℃下，通入氢气进行煅烧还原，还原时间为1h～50h，之后冷却至常温，制得表面有金属粒子层的碳/碳复合材料基层坯体；

⑷金属材料基层坯体制备：将金属材料按所需结构和形状制成金属材料基层坯体，对金属材料基层坯体的连接面进行磨砂处理；

⑸复合处理：将步骤⑶制得的碳/碳复合材料基层坯体和步骤⑷制得的金属材料基层坯体夹装，且碳/碳复合材料基层坯体上的金属粒子层与金属材料基层坯体的连接面相邻，然后将其放入真空炉中，加热至500℃～2200℃，在0.01MPa～10MPa压力下，保持10min～500min，使碳/碳复合材料基层坯体上的金属粒子层与金属材料基层坯体的连接面形成冶金结合，即制得碳/碳复合材料与金属材料的连接件。

为去除碳/碳复合材料基层坯体中杂质，本发明在步骤⑴中，洗涤、烘干前，将制得的碳/碳复合材料基层坯体放入高温炉中进行纯化处理，在真空或保护气氛条件下加热去除其中杂质，纯化温度为1800℃～2500℃，保温时间为2h～6h。