CN106884159B - 碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法及其辅助钎焊c/c复合材料与金属的方法 - Google Patents
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Abstract
碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法及其辅助钎焊C/C复合材料与金属的方法，属于聚合物基复合材料及焊接技术领域。本发明要解决现有钎焊C/C复合材料与金属时，焊后接头往往存在较大残余应力，严重弱化接头强度的问题。复合材料制备方法是将泡沫铜放置于聚合物的丙酮溶液中，磁力搅拌，取出后真空干燥；管式炉内烧结，冷却至室温。钎焊的方法是将上述方法制备的碳层包覆泡沫铜复合材料夹在银铜钛合金钎料箔片中间，再置于金属和C/C复合材料待焊接面之间，放入真空钎焊炉中钎焊。本发明在钎焊过程中，钎料合金与包覆碳层发生原位反应，生成了网络结构的TiC增强体，在焊缝中分布均匀，充分的降低了焊缝的残余应力集中，有效提高了接头质量。
Description
技术领域
本发明属于聚合物基复合材料及焊接技术领域；具体涉及碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法及其辅助钎焊C/C复合材料与金属的方法。
背景技术
随着航空航天、汽车工业及领域的快速发展，对高温环境下所用材料的性能提出了更高的要求。C/C复合材料是一种能够应用于高温环境下的先进复合材料。其低密度、高强度、线膨胀系数低、强抗热震性等优异性能，使其成为火箭喷管、机动车刹车片等器件的首选材料之一。但在实际应用中，由于C/C复合材料的加工性能较差，使得制备大尺寸的精密器件难以实现，因此往往需要将C/C复合材料与其它高温金属，例如Nb，进行连接。
在目前已发展的众多研究技术中，钎焊因其便捷、高效、接头强度高，已成为连接C/C复合材料与金属的最常用方法。但由于C/C复合材料与金属的线膨胀系数不匹配，二者的钎焊接头往往存在较大的热残余应力，严重弱化接头的力学性能。
目前有关于缓解C/C复合材料与金属钎焊接头残余应力的研究，主要以采用机械混合的方法在钎料中添加增强体为主。但机械混合的方式，难以保证增强体在钎料中均匀分布的可重复性，很大程度限制了其在实际工业中的应用。
发明内容
本发明要解决现有钎焊C/C复合材料与金属的焊后接头存在较大残余应力的问题，而提供了碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法及其辅助钎焊C/C复合材料与金属的方法。本发明采用聚合物碳化的方式并利用泡沫铜的独特多孔三维骨架结构在其表面形成超薄碳层，制备均匀分布的网络状碳层增强泡沫铜复合材料；将该材料作为中间层钎焊C/C复合材料与金属，在钎焊过程中利用碳与钎料中钛元素的反应原位制备了均匀分布的网络状TiC增强体，充分降低了焊缝的残余应力集中，有效提高了接头质量；保证了增强体在焊缝中的均匀分布，十分有效的缓解了接头残余应力并提高了接头的力学性能，并具有高度的可重复性。
为解决上述问题，本发明的碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法是由下述步骤完成的：
步骤一、将孔隙率大于95％的泡沫铜放置于聚合物的丙酮溶液中，磁力搅拌，取出后真空干燥；
步骤二、然后置于管式炉内，在保护气氛中烧结，冷却至室温后得到碳层包覆泡沫铜复合材料。
进一步限定，步骤一所述的聚合物为酚醛树脂、环氧树脂或蔗糖。
步骤一中聚合物的丙酮溶液是按100ml丙酮加入8g～25g聚合物的配比将聚合物充分溶解在丙酮中配制而成的。
步骤一中真空干燥温度为40℃，真空干燥时间为6h～12h。
步骤一中的磁力搅拌速度为100～150转/min，搅拌时间为2h。
步骤二烧结是以流量为100sccm～500sccm的氩气作为保护气，以2～20℃/min的速率升温至800℃～1000℃后，保温2h～3h。
步骤二以5℃/min～17℃/min的速率冷却。
碳层包覆泡沫铜复合材料辅助钎焊C/C复合材料与金属的方法是将上述方法制备的碳层包覆泡沫铜复合材料夹在银铜钛合金钎料箔片中间，再置于金属和C/C复合材料待焊接面之间，放入真空钎焊炉中，逐级抽真空至3×10-3Pa，以10℃/min的速率升温至840℃～940℃后保温5min～20min，最后以5℃/min的降温速度随炉冷却至室温，即完成钎焊过程。
所述的金属为Nb、TC4合金或者H99合金等。
本发明所用的泡沫多孔材料具有独特的多孔三维骨架结构，孔的分布及孔径大小的分布十分均匀，有利引入增强体，故利用泡沫铜在其表面构成网络状超薄碳层。然后以该碳层包覆泡沫铜复合材料作为中间层钎焊C/C复合材料与金属，充分的降低了焊缝的残余应力集中，有效提高了接头质量。
本发明可以对多种聚合物材料进行碳化处理。
本发明制备的碳层包覆泡沫铜复合材料中，碳层能够借助泡沫铜独特的三维骨架形成网络结构，十分均匀的分散于焊缝中，充分缓解接头残余应力，提高了接头强度，接头室温剪切强度能达到45.5MPa。
本发明采用的方法高效、便捷，并具有很强的可重复性，适于工业应用。
附图说明
图1为在表面碳化处理酚醛树脂后泡沫铜的SEM图片；图2为采用包覆碳层增强泡沫铜作为中间层钎焊C/C复合材料与Nb的接头微观组织形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法是由下述步骤完成的：
步骤一、将13.00g酚醛树脂溶解在100ml丙酮中，待聚合物充分溶解后得到酚醛树脂的丙酮溶液，然后将孔隙率为97％的泡沫铜放置于酚醛树脂的丙酮溶液中，采用磁力加速搅拌器以120转/min的搅拌速度进行磁力搅拌2h，取出后在40℃条件下真空干燥12h；
步骤二、然后置于管式炉内，通入流量为200sccm的氩气作为保护气，以20℃/min的速率升温至900℃后，保温烧结3h，以15℃/min的速率随炉冷却至室温后得到碳层包覆泡沫铜复合材料。
碳层包覆泡沫铜复合材料辅助钎焊C/C复合材料与金属的方法是将上述方法制备得到的碳层包覆泡沫铜复合材料作为软性中间层夹在两片银铜钛合金钎料箔片中间，再置于金属Nb和C/C复合材料待焊接面之间，放入真空钎焊炉中，逐级抽真空至3×10-3Pa，以10℃/min的速率升温至850℃后保温15min，最后以5℃/min的降温速度随炉冷却至室温，即完成钎焊过程。
本实施方式在泡沫铜材料表面均匀覆盖聚合物后，对其在氩气保护气氛下进行高温碳化处理，最终在泡沫铜表面形成碳层。在钎焊过程中，钎料合金与包覆碳层发生原位反应，借助泡沫铜的独特三维骨架生成了网络结构的TiC增强体，在焊缝中分布均匀，充分的降低了焊缝的残余应力集中，有效提高了接头质量。
具体实施方式二：本实施方式中碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法是由下述步骤完成的：
步骤一、将8.62g酚醛树脂溶解在100ml丙酮中，待聚合物充分溶解后得到酚醛树脂的丙酮溶液，然后将孔隙率为97％的泡沫铜放置于酚醛树脂的丙酮溶液中，采用磁力加速搅拌器(搅拌速度为120转/min)磁力搅拌2h，取出后在40℃条件下真空干燥12h；
步骤二、然后置于管式炉内，通入流量为300sccm的氩气作为保护气，以5℃/min的速率升温至1000℃后，保温烧结3h，以15℃/min的速率随炉冷却至室温后得到碳层包覆泡沫铜复合材料。
碳层包覆泡沫铜复合材料辅助钎焊C/C复合材料与金属的方法是将上述方法制备得到的碳层包覆泡沫铜复合材料作为软性中间层夹在两片银铜钛合金钎料箔片中间，再置于金属Nb和C/C复合材料待焊接面之间，放入真空钎焊炉中，逐级抽真空至3×10-3Pa，以10℃/min的速率升温至840℃后保温10min，最后以5℃/min的降温速度随炉冷却至室温，即完成钎焊过程。
具体实施方式三：本实施方式中碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法是由下述步骤完成的：
步骤一、将18.50g环氧树脂溶解在100ml丙酮中，待聚合物充分溶解后得到环氧树脂的丙酮溶液，然后将孔隙率为97％的泡沫铜放置于环氧树脂的丙酮溶液中，采用磁力加速搅拌器(搅拌速度为120转/min)磁力搅拌2h，取出后在50℃条件下真空干燥12h；
步骤二、然后置于管式炉内，通入流量为500sccm的氩气作为保护气，以8℃/min的速率升温至1000℃后，保温烧结2h，以8℃/min的速率随炉冷却至室温后得到碳层包覆泡沫铜复合材料。
碳层包覆泡沫铜复合材料辅助钎焊C/C复合材料与金属的方法是将上述方法制备的碳层包覆泡沫铜复合材料夹在银铜钛合金钎料箔片中间，再置于金属TC4合金和C/C复合材料待焊接面之间，放入真空钎焊炉中，逐级抽真空至3×10-3Pa，以10℃/min的速率升温至920℃后保温15min，最后以5℃/min的降温速度随炉冷却至室温，即完成钎焊过程。
本实施方式中表面碳化处理酚醛树脂后泡沫铜的SEM图片如图1所示。从低倍放大SEM图中可以看出，泡沫铜骨架清晰可见，结构完整，孔的分布十分均匀。从高倍放大SEM图中可以观察到碳层边缘，其厚度非常薄，这使得在钎焊过程中，原位反应的产物不易团聚，从而充分发挥其缓解残余应力的作用。
本实施方式中采用包覆碳层增强泡沫铜作为中间层钎焊C/C复合材料与Nb的接头微观组织形貌图如图2所示。从图2中观察到接头十分完整，没有裂纹、孔洞等缺陷产生，这是由于钎料中的Ti元素与碳层发生原位反应形成网络结构TiC，有效缓解了接头参与应力。
具体实施方式四：本实施方式中碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法是由下述步骤完成的：
步骤一、将17.34g环氧树脂溶解在100ml丙酮中，待聚合物充分溶解后得到环氧树脂的丙酮溶液，然后将孔隙率为97％的泡沫铜放置于环氧树脂的丙酮溶液中，采用磁力加速搅拌器(搅拌速度为120转/min)磁力搅拌2h，取出后在50℃条件下真空干燥12h；
步骤二、然后置于管式炉内，通入流量为500sccm的氩气作为保护气，以10℃/min的速率升温至900℃后，保温烧结2h，以10℃/min的速率随炉冷却至室温后得到碳层包覆泡沫铜复合材料。
碳层包覆泡沫铜复合材料辅助钎焊C/C复合材料与金属的方法是将上述方法制备的碳层包覆泡沫铜复合材料夹在银铜钛合金钎料箔片中间，再置于金属TC4合金和C/C复合材料待焊接面之间，放入真空钎焊炉中，逐级抽真空至3×10-3Pa，以10℃/min的速率升温至940℃后保温20min，最后以5℃/min的降温速度随炉冷却至室温，即完成钎焊过程。
Claims (7)
1.碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法，其特征在于碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法是由下述步骤完成的：
步骤一、将孔隙率大于95％的多孔泡沫铜材料放置于聚合物的丙酮溶液中，磁力搅拌，取出后真空干燥；
步骤二、然后置于管式炉内，在保护气氛中烧结，冷却至室温后得到碳层包覆泡沫铜复合材料；
其中，步骤一所述的聚合物为酚醛树脂或环氧树脂；步骤一中聚合物的丙酮溶液是按100ml丙酮加入8g～25g聚合物的配比将聚合物充分溶解在丙酮中配制而成的；步骤二烧结是以流量为100sccm～500sccm的氩气作为保护气，以2～20℃/min的速率升温至800℃～1000℃后，保温2h～3h。
2.根据权利要求1所述碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中真空干燥温度为40℃，真空干燥时间为6h～12h。
3.根据权利要求1所述碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中的磁力搅拌速度为100～150转/min，搅拌时间为2h。
4.根据权利要求1所述碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法，其特征在步于骤二烧结是以流量为100sccm的氩气作为保护气，以10℃/min的速率升温至800℃后，保温3h。
5.根据权利要求1所述碳层包覆泡沫铜复合材料的制备方法，其特征在于步骤二以5℃/min～17℃/min的速率冷却。
6.碳层包覆泡沫铜复合材料辅助钎焊C/C复合材料与金属的方法，其特征在于钎焊的方法是将如权利要求1-5中任意一项权利要求所述方法制备的碳层包覆泡沫铜复合材料夹在银铜钛合金钎料箔片中间，再置于金属和C/C复合材料待焊接面之间，放入真空钎焊炉中，逐级抽真空至3×10-3Pa，以10℃/min的速率升温至840℃～940℃后保温5min～20min，最后以5℃/min的降温速度随炉冷却至室温，即完成钎焊过程。
7.根据权利要求6所述的碳层包覆泡沫铜复合材料辅助钎焊C/C复合材料与金属的方法，其特征在于所述的金属为Nb、TC4合金或者H99合金。
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