[发明专利]碳/碳复合材料与铜连接的界面结构及制备方法

说明书

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：