CN103629197A - 碳/碳复合材料与铜连接的界面结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，在碳/碳复合材料的表面设有至少2个圆锥孔，在所述圆锥孔中以及碳/碳复合材料与铜结合的表面布满钎焊料，通过钎焊将碳/碳复合材料、铜基体、钎焊料焊接在一起，在碳/碳复合材料与铜基体之间形成由钎焊料固化成型的圆锥刺界面结构。制备方法是将碳/碳复合材料和铜表面加工平整，清洗表面油渍，在碳/碳复合材料的表面加工圆锥孔，超声清洗，将钎焊料填充至圆锥孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，真空钎焊，得到圆锥刺界面结构。本发明通过将圆锥刺界面结构引入碳/碳复合材料与铜之间，改善连接界面的膨胀匹配，解决碳/碳复合材料与铜连接的界面不相容问题，提高碳/碳复合材料与铜的连接强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳/碳复合材料与金属连接的界面结构及制备方法，特别是一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构及其制备方法。
背景技术
碳/碳复合材料是一种以碳纤维增强碳基体的先进复合材料，具有高熔点、高热导率、低膨胀系数等优异性能，碳/碳复合材料与铜的连接件是面向高温等离子体的优选材料，在高技术装备中具有广阔的应用前景。
制备碳/碳复合材料与铜的连接件必须解决碳/碳复合材料与铜连接的界面不相容问题。包括两个方面：其一是碳/碳复合材料与铜的润湿性问题，根据润湿理论，要实现可靠连接，铜熔体对碳/碳复合材料的接触角必须小于90度，但铜在真空1150℃时对碳/碳复合材料的接触角为145度，无法直接连接；其二是碳/碳复合材料与铜的热膨胀失配问题，碳/碳复合材料的线膨胀系数为2×10-6/K～5×10-6/K，铜的线膨胀系数为17.2×10-6/℃，两者相差悬殊，在温变过程中，这种膨胀失配引致的界面热应力，将导致界面剥离、脱落，致使连接失效。设计碳/碳复合材料与铜连接的界面结构是制备碳/碳复合材料与铜的连接件的关键。目前有关碳/碳复合材料与铜连接的研究，仅限于对连接界面进行微米尺度的修饰改性，以解决界面的润湿性问题，但不能解决由界面，特别是大尺寸界面的膨胀失配引致的连接强度低的问题。
发明目的
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种结构设计合理、焊接界面湿润性好、界面结合强度高的碳/碳复合材料与铜连接的界面结构及制备方法。本发明通过设计带圆锥刺的界面结构与钎焊料的匹配，有效改善连接界面的膨胀匹配，解决碳/碳复合材料与铜连接的界面不相容问题，提高碳/碳复合材料与铜的连接强度。
本发明一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，包括碳/碳复合材料、铜基体、钎焊料，在碳/碳复合材料的表面设有至少2个圆锥孔，所述圆锥孔的轴线垂直于所述碳/碳复合材料的表面，圆锥孔的锥尖延伸至碳/碳复合材料内部；在所述圆锥孔中以及碳/碳复合材料设有圆锥孔的表面布满所述钎焊料，所述铜基体置于所述碳/碳复合材料上并与所述钎焊料紧密接触，通过钎焊将碳/碳复合材料、铜基体、钎焊料焊接在一起，在碳/碳复合材料与铜基体之间形成由钎焊料固化成型的圆锥刺界面结构。
本发明一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，所述圆锥孔的直径为1～5mm，长径比为1.5～20，相邻圆锥孔轴线之间的间距为1-15mm。
本发明一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，所述钎焊料包括下述组分按质量百分比组成：
Cu：88-94%
Ti：6-12%。
本发明一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，所述圆锥刺的锥面与碳/碳复合材料之间形成钎焊连接，底面与所述铜基体之间形成钎焊连接。
本发明一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构的制备方法，包括下述步骤：
第一步：将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油渍备用；
第二步：在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔并超声清洗碳/碳复合材料，去除圆锥刺孔中的残屑及污渍；
第三步：在碳/碳复合材料工件的圆锥孔中以及碳/碳复合材料工件与铜的连接界面上填充钎焊料，将铜工件置于碳/碳复合材料工件上并与所述钎焊料紧密接触，采用真空钎焊将碳/碳复合材料与铜钎焊连接，在碳/碳复合材料与铜基体之间形成由钎焊料固化成型的圆锥刺界面结构。
本发明一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构的制备方法，所述圆锥孔采用机械钻孔方式成型。
本发明一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构的制备方法，所述钎焊料包括下述组分，按质量百分比组成：
Cu：88-94%
Ti：6-12%。
本发明一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构的制备方法，所述钎焊为真空钎焊，钎焊温度为1050-1060℃，真空度为≤10Pa。
本发明一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构的制备方法，所述圆锥孔的直径为1～5mm、长径比为1.5～20，相邻圆锥孔轴线之间的间距为1-15mm。
本发明中，所述Cu-Ti合金粉末中Ti的质量百分比为6-12%，作为钎焊料，均匀填充于碳/碳复合材料待连接表面的圆锥刺孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，在钎焊过程中熔化，起焊合碳/碳复合材料与铜的作用。
本发明中，所述真空钎焊温度为1050-1060℃，真空度为≤10Pa。
本发明的机理简述于下：
本发明采用的钎焊料Cu-Ti合金熔化后，一方面，其中的Ti元素富集于碳/碳复合材料表面并形成TiC，实现钎焊料与碳/碳复合材料的润湿；另一方面，其中的Cu、Ti元素与铜工件表面的Cu合金化，实现钎焊料与铜工件的润湿；由钎焊料固化形成的圆锥刺，在碳/碳复合材料和铜之间形成界面的膨胀系数连续过渡，改善界面膨胀匹配，降低界面残余热应力，提高连接强度。
本发明由于采用上述工艺方法，因而，具有如下优点和积极效果：
1、采用圆锥刺界面结构，在碳/碳复合材料和铜之间形成界面的膨胀系数连续过渡，改善界面膨胀匹配，有效降低界面残余应力。与平直连接界面结构相比，圆锥刺界面结构使界面残余应力降低40%以上。
2、采用圆锥刺界面结构，降低界面残余应力对界面结构的损伤，提高碳/碳复合材料与铜的连接强度。与平直连接界面结构相比，圆锥刺界面结构使碳/碳复合材料与铜的连接强度提高10倍以上。
3、采用Cu-Ti合金作为钎焊料，熔化后，Ti元素富集于碳/碳复合材料表面并形成TiC，实现钎焊料与碳/碳复合材料的润湿，同时，Cu、Ti元素与铜工件表面的Cu合金化，实现钎焊料与铜工件的润湿；提高碳/碳复合材料与铜的连接强度。
4、采用本发明，在尺寸为20mm×20mm×30mm的碳/碳复合材料工件的待连接表面（尺寸为20mm×20mm）加工出直径为2mm、长径比为5的圆锥刺孔，以Cu-Ti（8.6%质量）合金粉末为焊料，经1050℃真空钎焊得到的碳/碳复合材料与铜的连接件，连接强度达到72MPa。
综上所述，本发明提供的碳/碳复合材料与铜连接的圆锥刺界面结构及其制备方法，通过将圆锥刺界面结构引入碳/碳复合材料与铜之间，改善连接界面的膨胀匹配，解决碳/碳复合材料与铜连接的界面不相容问题，提高碳/碳复合材料与铜的连接强度。
附图说明
附图1为本发明的圆锥刺界面结构示意图
图中：1--碳/碳复合材料工件，2-圆锥，3-铜工件。
具体实施方式
实施例1
（1）将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油渍备用；
（2）采用机械钻孔方式在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔，孔的直径为1mm、长径比为20，圆锥孔在碳/碳复合材料待连接表面呈紧密排列，相邻圆锥孔轴线之间的间距为1mm，其轴线平行于待连接表面法线；
（3）超声清洗碳/碳复合材料，去除圆锥孔中的残屑及污渍；
（4）以Cu（90）-Ti（10）合金粉末填充碳/碳复合材料待连接表面的圆锥孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，采用真空钎焊方式实施碳/碳复合材料与铜的连接，钎焊温度为1050-1060℃，真空度为≤10Pa，即得圆锥刺界面结构。与平直界面结构相比，所述圆锥刺界面结构，使尺寸为20mm×20mm的连接界面的连接强度由5MPa提高到186MPa。
实施例2
（1）将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油渍备用；
（2）采用机械钻孔方式在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔，孔的直径为2mm、长径比为5，圆锥孔在碳/碳复合材料待连接表面呈紧密排列，相邻圆锥孔轴线之间的间距为2mm，其轴线平行于待连接表面法线；
（3）超声清洗碳/碳复合材料，去除圆锥孔中的残屑及污渍；
（4）以Cu（92）-Ti（8）合金粉末填充碳/碳复合材料待连接表面的圆锥孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，采用真空钎焊方式实施碳/碳复合材料与铜的连接，钎焊温度为1050-1060℃，真空度为≤10Pa，即得圆锥刺界面结构。与平直界面结构相比，所述圆锥刺界面结构，使尺寸为20mm×20mm的连接界面的连接强度由5MPa提高到72MPa。
实施例3
（1）将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油渍备用；
（2）采用机械钻孔方式在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔，孔的直径为2mm、长径比为15，圆锥孔在碳/碳复合材料待连接表面呈紧密排列，相邻圆锥孔轴线之间的间距为2mm，其轴线平行于待连接表面法线；
（3）超声清洗碳/碳复合材料，去除圆锥孔中的残屑及污渍；
（4）以Cu（92）-Ti（8）合金粉末填充碳/碳复合材料待连接表面的圆锥孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，采用真空钎焊方式实施碳/碳复合材料与铜的连接，钎焊温度为1050-1060℃，真空度为≤10Pa，即得圆锥刺界面结构。与平直界面结构相比，所述圆锥刺界面结构，使尺寸为20mm×20mm的连接界面的连接强度由5MPa提高到143MPa。
实施例4
（1）将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油渍备用；
（2）采用机械钻孔方式在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔，孔的直径为3mm、长径比为8，圆锥孔在碳/碳复合材料待连接表面呈紧密排列，相邻圆锥孔轴线之间的间距为5mm，其轴线平行于待连接表面法线；
（3）超声清洗碳/碳复合材料，去除圆锥孔中的残屑及污渍；
（4）以Cu-Ti合金粉末填充碳/碳复合材料待连接表面的圆锥孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，采用真空钎焊方式实施碳/碳复合材料与铜的连接，钎焊温度为1050-1060℃，真空度为≤10Pa，即得圆锥刺界面结构。与平直界面结构相比，所述圆锥刺界面结构，使尺寸为20mm×20mm的连接界面的连接强度由5MPa提高到67MPa。
实施例5
（1）将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油渍备用；
（2）采用机械钻孔方式在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔，孔的直径为3mm、长径比为6，圆锥孔在碳/碳复合材料待连接表面呈紧密排列，相邻圆锥孔轴线之间的间距为6mm，其轴线平行于待连接表面法线；
（3）超声清洗碳/碳复合材料，去除圆锥孔中的残屑及污渍；
（4）以Cu（88）-Ti（12）合金粉末填充碳/碳复合材料待连接表面的圆锥孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，采用真空钎焊方式实施碳/碳复合材料与铜的连接，钎焊温度为1050-1060℃，真空度为≤10Pa，即得圆锥刺界面结构。与平直界面结构相比，所述圆锥刺界面结构，使尺寸为20mm×20mm的连接界面的连接强度由5MPa提高到61MPa。
实施例6
（1）将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油渍备用；
（2）采用机械钻孔方式在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔，孔的直径为1mm、长径比为4，圆锥孔在碳/碳复合材料待连接表面呈紧密排列，相邻圆锥孔轴线之间的间距为2mm，其轴线平行于待连接表面法线；
（3）超声清洗碳/碳复合材料，去除圆锥孔中的残屑及污渍；
（4）以Cu（94）-Ti（6）合金粉末填充碳/碳复合材料待连接表面的圆锥孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，采用真空钎焊方式实施碳/碳复合材料与铜的连接，钎焊温度为1050-1060℃，真空度为≤10Pa，即得圆锥刺界面结构。与平直界面结构相比，所述圆锥刺界面结构，使尺寸为20mm×20mm的连接界面的连接强度由5MPa提高到53MPa。
实施例7
（1）将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油渍备用；
（2）采用机械钻孔方式在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔，孔的直径为5mm、长径比为1.5，圆锥孔在碳/碳复合材料待连接表面呈紧密排列，相邻圆锥孔轴线之间的间距为15mm，其轴线平行于待连接表面法线；
（3）超声清洗碳/碳复合材料，去除圆锥孔中的残屑及污渍；
（4）以Cu（88）-Ti（12）合金粉末填充碳/碳复合材料待连接表面的圆锥孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，采用真空钎焊方式实施碳/碳复合材料与铜的连接，钎焊温度为1050-1060℃，真空度为≤10Pa，即得圆锥刺界面结构。与平直界面结构相比，所述圆锥刺界面结构，使尺寸为20mm×20mm的连接界面的连接强度由5MPa提高到54MPa。
Claims (9)
1.一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，包括碳/碳复合材料、铜基体、钎焊料，其特征在于：在碳/碳复合材料的表面设有至少2个圆锥孔，所述圆锥孔的轴线垂直于所述碳/碳复合材料的表面，圆锥孔的锥尖延伸至碳/碳复合材料内部；在所述圆锥孔中以及碳/碳复合材料设有圆锥孔的表面布满所述钎焊料，所述铜基体置于所述碳/碳复合材料上并与所述钎焊料紧密接触，通过钎焊将碳/碳复合材料、铜基体、钎焊料焊接在一起，在碳/碳复合材料与铜基体之间形成由钎焊料固化成型的圆锥刺界面结构。
2.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，其特征在于：所述圆锥孔的直径为1～5mm，长径比为1.5～20。
3.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，其特征在于：相邻圆锥孔轴线之间的间距为1-15mm。
4.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，其特征在于：所述钎焊料包括下述组分按质量百分比组成：
Cu：88-94%
Ti：6-12%。
5.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，其特征在于：所述圆锥刺的锥面与碳/碳复合材料之间形成钎焊连接，底面与所述铜基体之间形成钎焊连接。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构的制备方法，包括下述步骤：
第一步：将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油渍备用；
第二步：在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔并超声清洗碳/碳复合材料，去除圆锥刺孔中的残屑及污渍；
第三步：在碳/碳复合材料工件的圆锥孔中以及碳/碳复合材料工件与铜的连接界面上填充钎焊料，将铜工件置于碳/碳复合材料工件上并与所述钎焊料紧密接触，采用真空钎焊将碳/碳复合材料与铜钎焊连接，在碳/碳复合材料与铜基体之间形成由钎焊料固化成型的圆锥刺界面结构。
7.根据权利要求6所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构的制备方法，其特征在于：所述圆锥孔采用机械钻孔方式成型。
8.根据权利要求6所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构的制备方法，其特征在于：所述钎焊料包括下述组分，按质量百分比组成：
Cu：88-94%
Ti：6-12%。
9.根据权利要求6所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构的制备方法其特征在于：所述钎焊为真空钎焊，钎焊温度为1050-1060℃，真空度为≤10Pa。
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