CN109467456A - 一种利用金属浆料对碳基材料表面改性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，目的在于解决碳基材料与Cu连接时，存在难润湿，以及两者膨胀系数、弹性模量差别大，连接困难的问题。按照下述步骤进行：金属粉末配置(称重、球磨、干燥)、浆料制备、碳基材料表面丝网印刷和真空烧结。其中金属粉末质量纯度为99.99％；真空烧结的温度和时间分别为1200‑1300℃，和30min‑2h。本发明能够在碳基材料基体上生成结合强度优良的碳化铬涂层，能够有效解决碳基材料与铜之间的润湿性，同时该方法的生产成本低，适宜大规模制造。

Description

一种利用金属浆料对碳基材料表面改性的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种利用金属浆料对碳基材料表面改性的方法。
背景技术
碳基材料具有熔点高(3400℃)、密度低及优良的抗热震性等优点，因此被广泛地用于能源、航空航天、电子等领域。尤其在高温条件下，如核聚变装置中的等离子体部件，碳基材料具有较好的应用。国内外大多数的聚变装置，如国外的TFTR、DIII-D、JT-60U、JET、Tore Supra、W7-X，国内的HL-2A、HT-7 等都使用了碳基材料(包括石墨和CFC)作为第一壁和偏滤器，ITER也曾经设计了在开始运行阶段的偏滤器垂直靶板位置使用C/C复合材料。碳基材料的导热率较低(一般为100W/m.K),其作为面向等离子体部件的受高温热流等离子体轰击面时，在热核聚变装置中，会使碳基材料表面温度骤升，性能发生改变，从而使其过载报废。因此，面向等离子体部件需要碳基材料与导热性能较好的金属Cu及Cu合金进行连接。
碳基材料与金属Cu及Cu合金连接的难点在于：1)碳基材料表面能较高，难被液态金属润湿，在常温下，碳基材料及纯铜润湿角达到140度；2)两者的热膨胀系数(0.6*10-6/℃、16.5*10-6/℃)及弹性模量有很大的区别。因此，在碳基材料与金属铜及Cu合金连接时，往往需要对碳基材料表面进行改性。
为此，本发明提供了一种利用金属浆料对碳基材料表面改性的方法，以解决碳基材料与金属Cu及Cu合金连接的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对碳基材料与金属Cu及Cu合金连接时，存在碳基材料难被液态金属润湿，及两者膨胀系数、弹性模量差别大，连接困难的问题，提供一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法。本发明能够有效解决非金属碳基材料在扩散连接工艺中表面铬涂层与基体基结合强度低的问题，能够在碳基材料基体上制备高强度的金属铬涂层。本发明的铬涂层中，铬的浓度由碳基材料基体向外逐渐增大，呈梯度分布，铬镀层与基体具有很好的结合强度。本发明能够满足聚变堆面向等离子体材料研究的需要，对于相关部件的发展具有重要的意义。
本发明的技术方案如下：
一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，步骤一、将铬粉进行称重，置于在滚筒球磨机中，以硬质合金球或玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球磨大于等于8小时；
步骤二、将上述金属混合粉末置于100℃真空烘箱中进行烘干；
步骤三、取一定量的球磨烘干后的金属铬粉末，加上适量的有机粘接剂，使用匀胶机充分混合后得到均匀的浆料；
步骤四、采用丝网印刷技术将浆料印刷在已预处理过的碳基材料表面；
步骤五、将印刷好的碳基材料置于真空炉中，加热速率为10-20℃/min，真空度小于1Pa，烧结温度为1200-1300℃，保温时间为：30min-2h，烧结完毕，再以小于5℃/min冷却至室温，形成致密的碳化铬涂层。
一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，所述步骤一中，铬的纯度为99.99％。
一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，所述步骤三中，所述的有机粘接剂为松油醇+乙基纤维素溶液，且松油醇：乙基纤维素：金属铬粉末＝4； 1；6。
一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，所述步骤四中，所用丝网印刷的网版所涂感光胶的厚度分别为5微米、10微米和15微米。
一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，所述步骤四中，所用的碳基材料的预处理包括以下步骤：先用纯水、酒精超声清洗，再置于热处理炉中进行除气处理。
一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，所述碳基材料包括石墨、碳纤维增强的碳基复合材料。
本发明的有益效果在于：
采用本发明能够在碳基材料表面获得理想的表面形态，并实现碳基材料与铜及铜合金的良好的结合。本发明中，以铬为印刷材料的母材，在反应过程中， Cr与碳基材料表面发生反应，生成碳化铬。碳化铬具有一定的金属性，而碳化铬的存在实现了涂层与碳基材料基体间的化学键结合，可以实现牢固的冶金结合。综上，对于现有技术，采用本发明来实现碳基材料表面改性，具有明显优势。
本发明中，首先采用丝网印刷技术在碳基材料基体表面印刷一层粉末涂层，然后再将碳基材料基体置于真空烧结炉中进行烧结，最终在碳基材料基体表面形成一层致密的碳化物层(即本发明中所指的铬涂层)，实现了碳基材料表面的改性。该方法结合了丝网印刷制备涂层的特点及真空烧结有利于铬/碳发生扩散反应的优点，工艺重复性好，质量易控，造价便宜，可用于聚变堆面向等离子材料中碳基材料扩散连接技术研究的需要。同时，本发明还提供了该方法制备的产品，及该产品作为面向等离子体部件的应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
(1)将铬粉进行称重，置于在滚筒球磨机中，以硬质合金球或玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球磨大于等于8小时；
(2)将上述金属混合粉末置于100℃真空烘箱中进行烘干；
(3)取一定量的球磨烘干后的金属铬粉末，加上适量的有机粘接剂，使用匀胶机充分混合后得到均匀的浆料；
(4)调节丝网印刷机网版和石墨的间隙以及网版的规格，印制不同厚度(5 微米、10微米和15微米)的样品；
(5)将印刷好的样品置于真空炉中，采取一定的温度和一定的保温时间，使得金属铬粉末充分与石墨完全反应，然后再以一定的冷却速率冷却下来，形成致密的金属涂层。具体的烧结工艺如下表
(6)对烧结后的样品涂层表面进行X射线衍射分析，通过物相鉴定结果，可以知道该系列样品都生成了致密的碳化物，具有了金属光泽。通过对金属光泽的表面进行无氧铜的浇铸实验，可以观测到无氧铜很好的铺展开来，并对接头的力学性能进行了测试。其强度超过了基体强度，断裂位置为石墨一侧。
实施例2
(1)将铬粉进行称重，置于在滚筒球磨机中，以硬质合金球或玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球磨大于等于8小时；
(2)将上述金属混合粉末置于100℃真空烘箱中进行烘干；
(3)取一定量的球磨烘干后的金属铬粉末，加上适量的有机粘接剂，使用匀胶机充分混合后得到均匀的浆料；
(4)调节丝网印刷机网版和碳纤维增强的碳基复合材料的间隙以及网版的规格，印制不同厚度(5微米、10微米和15微米)的样品；
(5)将印刷好的样品置于真空炉中，采取一定的温度和一定的保温时间，使得金属铬粉末充分与碳纤维增强的碳基复合材料完全反应，然后再以一定的冷却速率冷却下来，形成致密的金属涂层。具体的烧结工艺如下表
(6)对烧结后的样品涂层表面进行X射线衍射分析，通过物相鉴定结果，可以知道该系列样品都生成了致密的碳化物，具有了金属光泽。通过对金属光泽的表面进行无氧铜的浇铸实验，可以观测到无氧铜很好的铺展开来，并对接头的力学性能进行了测试。其强度超过了基体强度，断裂位置为碳纤维增强的碳基复合材料一侧。
实施例3
一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，按照下述步骤进行：
(1)将铬粉进行称重，置于在滚筒球磨机中，以硬质合金球或玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球磨大于等于8小时，铬的纯度为99.99％；
(2)将上述金属混合粉末置于100℃真空烘箱中进行烘干；
(3)取一定量的球磨烘干后的金属铬粉末，加上适量的有机粘接剂，使用匀胶机充分混合后得到均匀的浆料，有机粘接剂为松油醇+乙基纤维素溶液，且松油醇：乙基纤维素：金属铬粉末＝4；1；6；
(4)采用丝网印刷技术将浆料印刷在已预处理过的碳基材料表面，丝网印刷的网版所涂感光胶的厚度分别为5微米、10微米和15微米；碳基材料的预处理包括以下步骤：先用纯水、酒精超声清洗，再置于热处理炉中进行除气处理；碳基材料包括石墨、碳纤维增强的碳基复合材料；
(5)将印刷好的碳基材料置于真空炉中，加热速率为10-20℃/min，真空度小于1Pa，烧结温度为1200-1300℃，保温时间为：30min-2h。烧结完毕，再以小于5℃/min冷却至室温，形成致密的碳化铬涂层。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或者任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，其特征在于：
步骤一、将铬粉进行称重，置于在滚筒球磨机中，以硬质合金球或玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球磨大于等于8小时；
步骤二、将上述金属混合粉末置于100℃真空烘箱中进行烘干；
步骤三、取一定量的球磨烘干后的金属铬粉末，加上适量的有机粘接剂，使用匀胶机充分混合后得到均匀的浆料；
步骤四、采用丝网印刷技术将浆料印刷在已预处理过的碳基材料表面；
步骤五、将印刷好的碳基材料置于真空炉中，加热速率为10-20℃/min，真空度小于1Pa，烧结温度为1200-1300℃，保温时间为：30min-2h，烧结完毕，再以小于5℃/min冷却至室温，形成致密的碳化铬涂层。
2.如权利要求1所述的一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，其特征在于：所述步骤一中，铬的纯度为99.99％。
3.如权利要求1所述的一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，其特征在于：所述步骤三中，所述的有机粘接剂为松油醇+乙基纤维素溶液，且松油醇：乙基纤维素：金属铬粉末＝4；1；6。
4.如权利要求1所述的一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，其特征在于：所述步骤四中，所用丝网印刷的网版所涂感光胶的厚度分别为5微米、10微米和15微米。
5.如权利要求1所述的一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，其特征在于：所述步骤四中，所用的碳基材料的预处理包括以下步骤：先用纯水、酒精超声清洗，再置于热处理炉中进行除气处理。
6.如权利要求1所述的一种利用金属浆料法对碳基材料表面改性的方法，其特征在于：所述碳基材料包括石墨、碳纤维增强的碳基复合材料。
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