CN111496414B - 一种石墨和铜的接头及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨和铜的接头及其制备方法，其中，该所述石墨和铜的接头是将石墨块和铜块由Ti箔、Cu箔、Ni箔和Ti箔连接形成四层结构的连接层连接，其中，所述连接层两端的Ti箔分别与石墨块和铜块连接。采用由Ti箔、Cu箔、Ni箔和Ti箔组成的连接层瞬间液相连接石墨与铜，由于Ti与Cu存在共晶，当连接温度达到Ti与Cu的共晶点后，Ti箔与Cu箔的接触面会先熔化形成液相，随着保温时间的延长，Ti与Cu之间的元素互相扩散，连接层会完全熔化，最终液相化的连接层逐渐凝固使得石墨与铜成功连接，而软金属Ni箔可以通过自身的塑性变形来吸收残余热应力，从而提高接头的强度。

Description

一种石墨和铜的接头及其制备方法
技术领域
本发明属于异种材料的连接技术领域，尤其涉及一种石墨和铜的接头及其制备方法。
背景技术
石墨由于具有高熔点、高强度、导电传热、抗热震性、耐腐蚀性及润滑性能好等优点，在冶金、化工、电子、电器、机械、核能和航空航天工业等领域获得了广泛的应用，铜具有优良的导电性、导热性、延展性以及在某些介质中良好的抗腐蚀性能，使得铜被广泛应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域。而在实际应用中，石墨与铜的连接件作为新型碳换向器在汽车制造领域中得到了广泛应用，而瞬间液相连接是通过将金属加热到一定温度，使基体材料与中间层之间发生充分的扩散，产生液相以形成连接的方法，但由于石墨与铜之间热膨胀系数差异较大，会导致连接后在接头中存在较大残余热应力，从而导致接头质量不佳。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种石墨和铜的接头。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种石墨和铜的接头，将石墨块和铜块由Ti箔、Cu箔、Ni箔和Ti箔连接形成四层结构的连接层连接，其中，所述连接层两端的Ti箔分别用于与石墨块和铜块连接。
上述技术方案中所述的Ti箔、Cu箔及Ni箔纯度均为99％。
上述技术方案中所述Ti箔及Cu箔的厚度均为30-80μm，Ni箔的厚度为10-50μm。
本发明的目的之二在于提供一种如上所述石墨和铜的接头的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，对石墨块和铜块待连接端面以及Cu箔、Ti箔和Ni箔表面进行预处理，预处理完成后待用；
步骤2，将经步骤1表面预处理后的Ti箔、Cu箔、Ni箔和Ti箔依次叠合成四层结构并夹设于经步骤1表面预处理后的石墨块和铜块之间，再将其整体置于真空炉中加热至930-980℃，并保温10-60min，加热完成后随炉冷却至室温即得到石墨块和铜块接头。
上述技术方案中所述步骤1中石墨块、铜块、Cu箔、Ti箔和Ni箔的表面预处理是分别对石墨块、铜块、Cu箔、Ti箔和Ni箔表面进行打磨处理，并放入酒精中超声清洗15min，然后烘干即可。
上述技术方案中所述步骤2中真空炉内的真空度低于1×10-2Pa。
上述技术方案中所述步骤2中石墨块、铜块和连接层之间的夹紧时的压力为8-12kPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用由Ti箔、Cu箔、Ni箔和Ti箔组成的连接层瞬间液相连接石墨与铜，由于Ti与Cu存在共晶，当连接温度达到Ti与Cu的共晶点后，Ti箔与Cu箔的接触面会先熔化形成液相，随着保温时间的延长，Ti与Cu之间的元素互相扩散，连接层会完全熔化，最终液相化的连接层逐渐凝固使得石墨与铜成功连接，而软金属Ni箔可以通过自身的塑性变形来吸收残余热应力，从而提高接头的强度，同时其操作简单，易于实施，原料成本低廉，且其连接层均匀致密，各连接界面结合良好，无裂纹及孔隙等缺陷等，同时该接头剪切强度可达17MPa，达到了石墨自身剪切强度的106％。
附图说明
图1是本发明实施例中石墨和铜的接头的结构示意图；
图2是本发明实施例中石墨和铜的接头界面区域的微观形貌图；
图3是本发明实施例中石墨和铜的接头界面区域的XRD图谱。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种石墨和铜的接头，其采用Ti箔、Cu箔、Ni箔和Ti箔依次叠合组成的连接层连接石墨与铜，其中Ti箔、Cu箔及Ni箔的纯度均为99％，Ti箔、Cu箔及Ni箔的厚度分别为30μm、50μm和10μm，其具体制作步骤如下：
步骤1、将石墨与铜块的待连接端面进行打磨处理并放入酒精中超声清洗15min，然后烘干，待用，另外将Ti箔、Cu箔及Ni箔先用砂纸打磨，去除箔片表面的氧化物，并放入酒精中超声清洗15min，然后烘干，待用；
步骤2、在石墨块和铜块之间依次顺序放上Ti箔、Cu箔、Ni箔及Ti箔，并施加10kPa的压力将连接层夹紧在石墨块和铜块之间，再将其整体放入真空炉中，其中真空炉的真空度低于1×10-2Pa，炉温控制在950℃并保温30min，然后随炉冷却至室温，取出样品即得到石墨和铜的接头。
对本实施例制得的石墨和铜的接头在电子万能试验机上进行剪切强度的测试，接头剪切强度为17MPa，达到了石墨自身强度的106％。
图2为本实施例所得采用Ti箔、Cu箔、Ni箔和Ti箔组成的连接层连接石墨和铜的接头界面区域微观形貌图，从图中可以看出，连接层与石墨和铜母材界面结合良好，连接层均匀致密，无裂纹和孔隙等缺陷。
实施例2
同实施例1，其区别在于，本实施例中Ti箔、Cu箔及Ni箔的厚度分别为10μm、30μm和30μm，本实施例石墨和铜的接头的制备方法同实施例1中制备方法的区别在于其真空炉的炉温控制在980℃并保温10min。
对本实施例制得的石墨和铜的接头在电子万能试验机上进行剪切强度的测试，接头剪切强度为17MPa，达到了石墨自身强度的106％。
图3为本实施例所制得的石墨和铜的接头界面区域的XRD图谱。从该图谱可以看出，界面区域主要为Ti(Cu,Ni)、Cu、Ni、TiCu、TiCu2及TiCu3等金属间化合物。其中，Cu与Ni为金属中间层中未参与反应而生成的固溶体，而Ti与Cu生成TiCu、TiCu2及TiCu3等金属间化合物，少部分Ni、Cu与Ti生成了Ti(Cu,Ni)金属间化合物。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种石墨和铜的接头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对石墨块和铜块待连接端面以及Cu箔、Ti箔和Ni箔表面进行预处理，预处理完成后待用；
步骤2，将经步骤1表面预处理后的Ti箔、Cu箔、Ni箔和Ti箔依次叠合成四层结构并夹设于经步骤1表面预处理后的石墨块和铜块之间，且其连接顺序依次为石墨块、Ti箔、Cu箔、Ni箔、Ti箔和铜块，再将其整体置于真空炉中加热至930-980 ℃，并保温10-60 min，加热完成后随炉冷却至室温即得到石墨块和铜块接头；
所述步骤1中石墨块、铜块、Cu箔、Ti箔和Ni箔的表面预处理是分别对石墨块、铜块、Cu箔、Ti箔和Ni箔表面进行打磨处理，并放入酒精中超声清洗15 min，然后烘干即可；
所述步骤2中真空炉内的真空度低于1×10-2 Pa；
所述步骤2中石墨块、铜块和连接层之间的夹紧时的压力为8-12 kPa；
所述Ti箔及Cu箔的厚度均为30-80μm，Ni箔的厚度为10-50μm。
2.根据权利要求1所述石墨和铜的接头的制备方法，其特征在于，所述的Ti箔、Cu箔及Ni箔纯度均为99 %。
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