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技术

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。本发明专利技术要解决现有钎焊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。本发明专利技术在钎焊过程中，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。

Method for preparing carbon layer coated foamed copper composite material and its auxiliary soldering method for C/C composite material and metal

The invention relates to a method for preparing carbon layer coated foamed copper composite material and a method for assisting brazing C/C composite material and metal, belonging to the field of polymer matrix composite material and welding technology. The present invention aims to solve the problem of large residual stress existing in the welded joint and seriously weaken the joint strength when the existing brazing C/C composite material and metal are welded. The composite material is prepared by placing foam copper in acetone solution of the polymer, stirring by magnetic force, vacuum drying after being taken out, sintering in a tube furnace, and cooling to room temperature. The brazing method is that the method for preparing the carbon layer coated copper foam composite material sandwiched between Ag Cu Ti alloy brazing foil, and then placed in between the metal and C/C composite materials to be welded, brazed in vacuum furnace. The present invention during brazing, the brazing alloy and coated carbon layer and in-situ generated network structure of TiC reinforcement, evenly distributed in the weld, fully reduce weld residual stress concentration, improve the quality of joints.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于聚合物基复合材料及焊接
；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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术要解决现有钎焊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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术可以对多种聚合物材料进行碳化处理。本专利技术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。本专利技术采用的方法高效、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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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，其特征在于步骤一所述的聚合物为酚醛树脂、环氧树脂或蔗糖。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。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，其特征在于步骤一中真空干燥温度为40℃，真空干燥时间为6h～12h。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，其特征在于步骤一中的磁力搅拌速度为100～150转/min，搅拌时间为2h。6.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，其特征在于步骤二烧结是以流量为100sccm～50...

【专利技术属性】
技术研发人员：李蔓妮，郑婷，邱思，鲁春蕊，刘盈驿，肖海英，张东兴，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23