CN114273813B - 一种抗热震梯度复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钎焊技术领域，涉及陶瓷与金属钎焊过程中使用的一种抗热震梯度复合材料及其制备方法。该梯度材料由陶瓷材料和金属材料复合而成，为设置陶瓷骨架、厚度为d的层状结构，该层状结构具有与待焊陶瓷和待焊金属接触的陶瓷侧和金属侧，该梯度材料的金属侧为由陶瓷骨架(1)与金属粉末复合而成的混合骨架；混合骨架上面有陶瓷骨架、陶瓷颗粒(2)和金属粉末组成的第一复合层(5)，第一复合层上面有陶瓷骨架、陶瓷纤维与金属粉末组成的第二复合层(6)；上述层状结构通过高温烧结实现金属材料与陶瓷材料的一体化。本发明可有效解决金属与陶瓷大尺寸结构钎焊中存在的热失配问题，从而彻底解决异种材料复合连接中的结构稳定性问题。

Description

一种抗热震梯度复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于钎焊技术领域，特别涉及陶瓷与金属钎焊过程中使用的一种抗热震梯度复合材料及其制备方法。

背景技术

现阶段在异种材料的钎焊冶金连接中，由于材料间的热膨胀差异巨大而难免出现连接界面的热失配，从而出现热应力及其破坏失效隐患。特别是陶瓷材料与金属材料的冶金钎焊结构中，钎焊热循环过程会导致连接界面在冷却收缩过程中出现较大的热应力，应力作用下极易产生陶瓷侧出现应力开裂失效。为了有效缓解热应力，通常采用两种途径：热处理或采用界面中间层材料。其中，退火热处理可以将热应力有效降低，但对于金属与非金属之间的热失配，其改善效果不够显著；当前普遍采用的界面中间层材料有镍、铜等材质较性的金属材料，或者上述元素为主要成分的复合材料(如添加了石墨烯、非金属纤维或颗粒等)，通过界面中间层材料的塑性变形来调节热应力，实现界面应力的缓解。例如，中国专利申请No.201110136722.6提供了‘一种陶瓷相增强的铜基复合钎料及其制备方法’，是要解决现有陶瓷连接方法中Ag-Cu-Ti钎料成本高、残余应力造成接头强度低的问题。该陶瓷相增强的铜基复合钎料包含Cu粉、Sn粉、Ti粉和B粉。制备方法为：将Cu粉、Sn粉、Ti粉和B粉混合，得到混合粉末；将混合粉末和陶瓷球加入行星式球磨机的球磨罐中，以300r/min的速度，在氩气气氛保护下进行球磨处理，球磨处理1～5h，即得到混合均匀的Cu-Sn-Ti-B复合钎料。该技术方案通过在接头中原位自生TiB晶须调节了金属与陶瓷间的热失配，从而提高了钎焊接头使用性能。中国专利申请No：201710677144.4提供了‘一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷与金属的方法’，其中复合高熵合金钎钎料由上下两层组成，上层为靠近金属一侧的高熵合金箔带，下层为靠近陶瓷一侧的钛箔，上下层厚度分别为50～100μm。公布的研究成果中，这种复合材料中间层的尺寸为微米级或几毫米，尚未见较大尺寸的中间层材料成功应用。这样较小尺寸的中间层材料，在较大尺寸的异种材料连接结构中无法有效实现应力缓解，存在一定局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗热震梯度材料，可有效解决金属材料与非金属材料大尺寸结构钎焊连接中存在的热失配问题，不会存在适用构件的尺寸限制。从而彻底解决异种材料复合连接中的结构稳定性问题。

本发明的另一目的是提供上述抗热震梯度材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种抗热震复合梯度材料，用于陶瓷和金属的钎焊，该梯度材料由陶瓷材料和金属材料复合而成，其中陶瓷材料的使用形式包括陶瓷骨架、陶瓷纤维和陶瓷颗粒；金属材料的使用形式为粉末；

该梯度材料为设置陶瓷骨架、厚度为d的层状结构，该层状结构具有与待焊陶瓷和待焊金属接触的陶瓷侧和金属侧，该梯度材料的金属侧为由陶瓷骨架1与金属粉末复合而成的混合骨架，混合骨架中金属粉末与陶瓷骨架的体积比为20:1～2:1；混合骨架上面有由陶瓷骨架、陶瓷颗粒2和金属粉末组成的第一复合层5，在第一复合层上面有陶瓷骨架、陶瓷纤维与金属粉末组成的第二复合层6，该第二复合层6位于该梯度材料的陶瓷侧；其中第一复合层中金属粉末与陶瓷颗粒的体积比为20:1～2:1，第二复合层中金属粉末与陶瓷纤维的体积比为1:1～5:1；

上述层状结构通过高温烧结实现金属材料与陶瓷材料的一体化。

所述梯度材料中的陶瓷材料包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等，金属材料包括镍、铁、钴、锰金属或合金或其组合；纤维材料包括陶瓷纤维、和碳纤维。

所述梯度材料中陶瓷纤维的尺寸为：纤维外径尺寸为200nm～50μm，长度为20～300μm。

d为0.1～10毫米，第一复合层厚度为0.1～0.2d，第二复合层厚度为0.2～0.3d。

所述陶瓷骨架为气孔率60～90％的泡沫陶瓷，或孔尺寸1～8mm的陶瓷蜂窝。

所述陶瓷骨架为孔尺寸2～6mm的碳化硅泡沫陶瓷或氧化铝陶瓷蜂窝。

所述陶瓷颗粒的粒径大小为0.1～5mm。

所述高温烧结温度为T_金属+50℃～200℃，T_金属为金属粉末的熔点，烧结时间为5min～30min。

一种根据所述的抗热震梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、在选用的陶瓷骨架下部倒入金属粉末，制备成混合骨架，金属粉末与陶瓷骨架的体积比为20:1～2:1；

S2、将陶瓷颗粒与金属粉末的混合物倒入混合骨架上面的陶瓷骨架内，形成第一复合层5，该第一复合层中金属粉末与陶瓷颗粒的体积比为20:1～2:1；

S3、将纤维材料与金属粉末的混合物倒入第一复合层5的上面陶瓷骨架内，直至与上表面齐平，形成第二复合层6，该第二复合层中金属粉末与纤维材料的体积比为1:1～5:1；

S4、将上述填充好的混合体置入石墨坩埚中，并采用真空烧结炉进行烧结成型，烧结温度为T_金属+50℃～200℃，T_金属为金属的熔点，烧结时间为5min～30min。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明所述的抗热震梯度材料的结构设计及其成型制造方法，通过陶瓷骨架结构及多层组分调节，有效实现了梯度材料上下两面的热膨胀过渡。在陶瓷与金属的钎焊冶金工艺中，将陶瓷骨架侧与金属钎焊连接，纤维复合层侧与陶瓷钎焊连接，从而实现陶瓷与金属的原有热失配现象有效缓解，达到提高结构稳定性的目的。可解决陶瓷与金属钎焊连接时，因热膨胀差异巨大而出现的热失配问题。

附图说明

图1本发明的抗热震复合梯度材料的结构示意图。

其中的附图标记为：

1-陶瓷骨架，2-陶瓷颗粒，3-金属组分，4-纤维材料，5-第一复合层，6-第二复合层，d-梯度材料的厚度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

参见图1，本发明抗热震梯度材料，由陶瓷和金属两部分组成。其中，陶瓷的使用形式包括陶瓷骨架、陶瓷纤维(非连续的长纤维或短纤维)以及陶瓷颗粒；金属的使用形式为合金粉末，通过高温冶金技术实现与陶瓷组分的一体化。

陶瓷与金属复合梯度材料的结构形式如图1所示。梯度材料的一侧由陶瓷骨架与金属复合而成，在上面填充陶瓷颗粒和金属形成的第一复合层，然后在此基础上填充陶瓷纤维与金属的形成的第二复合层。

本发明的抗热震梯度材料，其中：陶瓷材料包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等，金属材料包括镍基合金、铁基合金、钴基合金等，纤维材料包括陶瓷纤维、碳纤维，且纤维为非连续的短纤维。

制备方法主要包括装配与烧结成型两个环节，共需4步完成。首先，在选用的陶瓷骨架里倒入金属粉末，制备成混合骨架，金属粉末与陶瓷蜂窝的体积比为2～20。其后，将陶瓷颗粒与金属粉末的混合物倒入上一步的混合骨架上面，金属粉末与陶瓷颗粒的体积比为0.2～20。第三步，将纤维材料与金属粉末的混合物倒入上一步所制复合层I的表面，金属粉末与纤维材料的体积比为0.2～20。第四步，将制备的混合体置入石墨坩埚中，并采用真空烧结炉进行烧结成型，烧结温度为T金属+50℃～200℃(T金属为金属的熔点)，烧结时间为5min～30min。

实施例1

选用孔尺寸为2mm的氧化铝蜂窝作为骨架材料，金属填充组分为：50％Fe、20％Co、25％Ni、5％Mn；陶瓷颗粒为粒径0.5mm的氧化铝陶瓷球，填充纤维选用外径为200～600nm、长度为20～50μm的碳纤维。首先，选取d＝5mm的氧化铝蜂窝作为骨架材料，将金属填充粉末倒入蜂窝中，控制倒入量为2mm左右；然后，将氧化铝陶瓷球倒入，控制倒入深度1mm，随后补充倒入金属粉末至于陶瓷球齐平；第三步，将碳纤维与金属粉末按照1:10的质量比例混合均匀，倒入上面的蜂窝骨架中，直至与表面齐平。第四步，将上述填充完的陶瓷骨架整体置入石墨坩埚中，在真空烧结炉中进行1500℃烧结20min，冷却后即得抗热震复合材料。

实施例2

选用孔尺寸为2～3mm的碳化硅泡沫陶瓷作为骨架材料，金属填充组分为：50％Fe、20％Co、25％Ni、5％Mn；陶瓷颗粒为粒径0.5mm的氧化铝陶瓷球，填充纤维选用外径为500～600nm、长度为10～50μm的碳化硅纤维。首先，选取d＝5mm的碳化硅泡沫作为骨架材料，将金属填充粉末倒入泡沫陶瓷中，控制倒入量为2mm左右，并及时进行震实；然后，将氧化铝陶瓷球倒入，控制倒入深度1mm，随后补充倒入金属粉末至于陶瓷球齐平；第三步，将碳化硅纤维与金属粉末按照1:5的质量比例混合均匀，倒入上面的泡沫陶瓷骨架中，直至与表面齐平。第四步，将上述填充完的泡沫陶瓷整体置入石墨坩埚中，在真空烧结炉中进行1500℃烧结20min，冷却后即得抗热震复合材料。

实施例3

选用孔尺寸为2～3mm的碳化硅泡沫陶瓷作为骨架材料，金属填充组分为：50％Fe、20％Co、25％Ni、5％Mn；陶瓷颗粒为粒径1mm的氧化锆陶瓷球，填充纤维选用外径为11～17μm、长度为150～300μm的石英纤维。首先，选取d＝5mm的碳化硅泡沫作为骨架材料，将金属填充粉末倒入泡沫陶瓷中，控制倒入量为2mm左右，并及时进行震实；然后，将氧化锆陶瓷球倒入，控制倒入深度1mm，随后补充倒入金属粉末至于陶瓷球齐平；第三步，将石英纤维与金属粉末按照1:5的质量比例混合均匀，倒入上面的泡沫陶瓷骨架中，直至与表面齐平。第四步，将上述填充完的泡沫陶瓷整体置入石墨坩埚中，在真空烧结炉中进行1350℃烧结40min，冷却后即得抗热震复合材料。

实施例4

选用孔尺寸为4～6mm的碳化硅泡沫陶瓷作为骨架材料，金属填充组分为：50％Fe、20％Co、25％Ni、5％Mn；陶瓷颗粒为粒径1.5～2mm的氮化硅陶瓷球，填充纤维选用外径为10～30μm、长度为100～250μm的氮化硅纤维。首先，选取d＝5mm的碳化硅泡沫作为骨架材料，将金属填充粉末倒入泡沫陶瓷中，控制倒入量为2mm左右，并及时进行震实；然后，将氮化硅陶瓷球倒入，控制倒入深度1mm，随后补充倒入金属粉末至于陶瓷球齐平；第三步，将氮化硅纤维与金属粉末按照1:5的质量比例混合均匀，倒入上面的泡沫陶瓷骨架中，直至与表面齐平。第四步，将上述填充完的泡沫陶瓷整体置入石墨坩埚中，在真空烧结炉中进行1600℃烧结60min，冷却后即得抗热震复合材料。

Claims (9)

1.一种抗热震复合梯度材料，用于陶瓷和金属的钎焊，其特征在于：该梯度材料由陶瓷材料和金属材料复合而成，其中陶瓷材料的使用形式包括陶瓷骨架、陶瓷纤维和陶瓷颗粒；金属材料的使用形式为粉末；

该梯度材料为设置陶瓷骨架、厚度为d的层状结构，该层状结构具有与待焊陶瓷和待焊金属接触的陶瓷侧和金属侧，该梯度材料的金属侧为由陶瓷骨架（1）与金属粉末复合而成的混合骨架，混合骨架中金属粉末与陶瓷骨架的体积比为20:1~2:1；混合骨架上面有由陶瓷骨架、陶瓷颗粒（2）和金属粉末组成的第一复合层（5），在第一复合层上面有陶瓷骨架、陶瓷纤维与金属粉末组成的第二复合层（6），该第二复合层（6）位于该梯度材料的陶瓷侧；其中第一复合层中金属粉末与陶瓷颗粒的体积比为20:1~2:1，第二复合层中金属粉末与陶瓷纤维的体积比为1:1~5:1；

上述层状结构通过高温烧结实现金属材料与陶瓷材料的一体化。

2.根据权利要求1所述的梯度材料，其特征在于，所述梯度材料中的陶瓷材料包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷，金属材料包括镍、铁、钴、锰金属或其合金。

3.根据权利要求1所述的梯度材料，其特征在于，所述梯度材料中陶瓷纤维的尺寸为：纤维外径尺寸为200nm~50μm，长度为20μm ~300μm。

4.根据权利要求1所述的梯度材料，其特征在于，d为0.1~10毫米，第一复合层厚度为0.1~0.2d，第二复合层厚度为0.2~0.3d。

5.根据权利要求1所述的梯度材料，其特征在于，所述陶瓷骨架为气孔率60~90%的泡沫陶瓷，或孔直径1~8mm的陶瓷蜂窝。

6.根据权利要求1所述的梯度材料，其特征在于，所述陶瓷骨架为孔直径2~6mm的碳化硅泡沫陶瓷或氧化铝陶瓷蜂窝。

7.根据权利要求1所述的梯度材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒的粒径大小为0.1~5mm。

8.根据权利要求1所述的梯度材料，其特征在于，所述高温烧结温度为T_金属+50℃~200℃，T_金属为金属粉末的熔点，烧结时间为5min~30min。

9.一种根据权利要求1所述的抗热震复合梯度 材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、在选用的陶瓷骨架下部倒入金属粉末，制备成混合骨架，金属粉末与陶瓷骨架的体积比为20:1~2:1；

S2、将陶瓷颗粒与金属粉末的混合物倒入混合骨架上面的陶瓷骨架内，形成第一复合层（5），该第一复合层中金属粉末与陶瓷颗粒的体积比为20:1~2:1；

S3、将陶瓷纤维与金属粉末的混合物倒入第一复合层（5）的上面陶瓷骨架内，直至与上表面齐平，形成第二复合层（6），该第二复合层中金属粉末与陶瓷纤维的体积比为1:1~5:1；

S4、将上述填充好的混合体置入石墨坩埚中，并采用真空烧结炉进行烧结成型，烧结温度为T_金属+50℃~200℃，T_金属为金属的熔点，烧结时间为5min~30min。

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