用于连接碳化硅陶瓷的连接材料以及连接碳化硅陶瓷的方法技术

本发明专利技术提供了一种用于连接碳化硅陶瓷的连接材料，该连接材料是左右层叠结构，包括至少两层钛层，并且相邻的钛层之间为碳层。将该连接材料夹置在待连接碳化硅陶瓷材料之间，通过外部热源加热连接界面将待连接的SiC材料连接在一起的过程中，纳米钛层与纳米碳层发生放热反应，即，中间连接层自身能够释放部分热量，从而降低了外部热源的能量供给，有利于节约成本，降低工业化生产难度。

Connection materials for connecting silicon carbide ceramics and methods to connect SiC ceramics

The invention provides a connecting material for connecting silicon carbide ceramics, which is a laminated structure with left and right layers, including at least two titanium layers, and a carbon layer between adjacent titanium layers. The connecting material is sandwiched between silicon carbide ceramic materials to be connected, will be connected through the process of external heat source heating connecting interface of the SiC material together, nano titanium layer and nano carbon layer exothermic reaction, i.e., the middle layer itself can be part of the heat release, thereby reducing the energy supply of the external heat source. It helps to save cost, reduce the production difficulty.

【技术实现步骤摘要】
用于连接碳化硅陶瓷的连接材料以及连接碳化硅陶瓷的方法
本专利技术涉及碳化硅陶瓷材料
，具体涉及一种用于连接碳化硅陶瓷的连接材料、其制备方法，以及利用该连接材料连接碳化硅陶瓷的方法
技术介绍
碳化硅陶瓷(SiC)具有低中子活性、耐中子辐照能力强、密度低、耐高温、抗氧化、耐磨损等一系列优点，是新一代核燃料包壳材料的首选。但是，碳化硅陶瓷的固有缺陷、陶瓷材料的本征脆性和不可变形性以及零部件加工修复等方面的问题，使得制造形状复杂的碳化硅陶瓷件非常困难，因此在实际制造中通常需要连接技术来实现形状复杂的陶瓷件的加工，例如核燃料包壳管和端塞间的密封。因此，碳化硅陶瓷的连接是一个十分关键的问题。然而，SiC本身具有的一些性质，如共价键、扩散系数小、惰性等，使得它的连接也存在一定的难度。目前，SiC的连接方法如图1所示，采用连接层，将其夹置在待连接的SiC材料之间，通过外部热源加热使连接界面达到一定温度(即连接温度)，从而将待连接的SiC材料连接在一起，主要有活性金属钎焊、扩散连接、反应连接、瞬态共晶相连接、预陶瓷先驱体连接、玻璃相连接等方法。扩散连接通常采用的连接层主要是金属箔片(Ti箔，Mo箔和Zr箔等)；玻璃相连接和金属钎焊等主要采用低温活化的连接层通过界面润湿性的调控或者界面化学反应来实现对待连接材料的连接，连接材料主要有金属低共溶钎剂(Ag-Cu体系等)，氧化铝玻璃相(CaO-MgO-SiO2-Al2O3体系等)和反应性金属(Ti，Al，Si等)。但是要想实现碳化硅材料之间的连接都需要外界热源提供充足的热量，因此成本高，工业化生产难度大。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术旨在提供一种用于连接碳化硅陶瓷的连接材料，如图1所示，将该连接材料夹置在待连接碳化硅陶瓷材料之间，通过外部热源加热连接界面，使连接界面达到一定温度(即连接温度)，从而将待连接的SiC材料连接在一起，具有所需外部热源提供的热量低的优点，从而节约成本，降低工业化生产难度。为了实现上述技术目的，本专利技术将连接材料结构设计为左右层叠结构，包括至少两层钛层，并且相邻的钛层之间为碳层，即，钛层与待连接的碳化硅材料相接触，利用钛层的高活性，提高碳化硅陶瓷材料的界面表面能，增加其反应活性，有利于待连接材料与中间层之间的烧结致密化；同时，由于在相邻的钛层之间加入碳层，在一定的连接温度下，钛层与碳层发生放热反应而释放热量，即，连接层自身能够释放一部分热量，从而促进连接，降低外部热源的能量供给。另外，现有报道中连接层较厚，厚度基本大于20μm，一方面当外界热源供给热量以提高连接温度时，所需外部热源提供的热量增加；另一方面导致从碳化硅及其复合材料中扩散出来的硅原子和碳原子在中间层中的浓度较低，元素分布范围大，反应不充分，容易产生其他脆性相，从而影响连接后碳化硅陶瓷材料的力学强度性能。为此，作为优选，本专利技术将连接层厚度降低至50nm～10μm，更优选为100nm～1μm，从而进一步降低外部热源所需提供的热量，同时有效提高了中间层中硅原子和碳原子的浓度，元素分布比较集中，有利于Ti、Si、C三种元素的充分反应，减少了产生的脆性相的数量，有利于提高连接界面的力学强度。根据实际需要，所述层叠结构的层数可控，所述单层钛层的厚度可控，所述单层碳层的厚度可控。通过控制钛层与碳层的厚度以及层数可控制连接层的厚度以及钛和碳的摩尔质量比。作为优选，单层钛层的厚度在纳米量级，进一步优选为10nm～1000nm。作为优选，单层碳层的厚度在纳米量级，进一步优选为10nm～500nm。所述的碳化硅陶瓷材料包括纯碳化硅陶瓷材料以及以纯碳化硅陶瓷材料为基体的复合材料，所述复合材料包括但不限于碳纤维增强碳化硅复合材料，碳化硅纤维增强碳化硅复合材料等。本专利技术的连接材料的制备方法不限，包括物理气相沉积(PVD)法、化学气相沉积(CVD)法、流延法、喷涂法以及电镀法等，在基体表面依次交替制备钛层与碳层，然后再制备一层钛层，最后去除基体。或者，在一块待连接的碳化硅陶瓷材料表面依次交替制备钛层与碳层，再制备一层钛层，形成连接层。作为一种优选的实现方式，采用PVD法，以氯化钠作为基体，在基体表面依次交替沉积钛层与碳层，然后再沉积一层钛层，最后将沉积后的氯化钠基体放入水中以溶解该氯化钠基体，得到叠层自由膜。利用本专利技术的连接材料连接碳化硅陶瓷材料的方法不限，包括沿着层叠方向，将所述的连接材料夹置在待连接的碳化硅陶瓷材料中间，然后采用外部热源加热连接的方式，通过该连接层将待连接的碳化硅材料连接在一起。或者在一块待连接的碳化硅陶瓷材料表面依次交替沉积钛层与碳层，再沉积一层钛层，形成连接层，然后与另一块待连接的碳化硅陶瓷材料表面对接，最后采用外部热源加热连接的方式，通过该中间连接层将待连接的碳化硅材料连接在一起。所述的外部热源加热连接的方式不限，包括无压加热连接与热压连接，例如包括电场辅助加热连接，热压连接，微波场辅助加热连接等。综上所述，本专利技术将钛层与碳层复合利用，交替层叠，作为碳化硅陶瓷材料的中间连接材料，具有如下优点：(1)高活性钛层有利于提高碳化硅陶瓷材料的界面表面能，增加其反应活性，有利于待连接碳化硅材料与中间连接层之间的烧结致密化；(2)一定的连接温度下，纳米钛层与纳米碳层发生放热反应，中间连接层自身释放一部分热量，从而降低了外部的能量供给；(3)优选降低中间连接层厚度，使从基体碳化硅陶瓷材料中扩散出来的原子在中间层中的浓度提高，有利于Ti、Si、C三种元素的充分反应，进一步降低碳化硅陶瓷材料的连接温度，同时可提高连接界面的力学强度性能。附图说明图1是本专利技术中待连接碳化硅陶瓷材料与连接层的结构示意图；图2是本专利技术实施例2中叠层复合膜的结构示意图；图3是本专利技术实施例1中经连接层连接后碳化硅陶瓷材料的界面背散射扫描电镜照片；图4是本专利技术实施例2中经连接层连接后碳化硅陶瓷材料的界面背散射扫描电镜照片；图5是本专利技术实施例3中经连接层连接后碳化硅陶瓷材料的界面背散射扫描电镜照片；图6是本专利技术实施例4中经连接层连接后碳化硅陶瓷材料的界面背散射扫描电镜照片；具体实施方式下面结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。实施例1：本实施例中，如图1所示采用连接层材料将待连接碳化硅陶瓷材料进行连接。待连接材料为两块Ф20*20mm的碳化硅，连接层材料为纯钛，采用外部热源加热连接的方法通过该连接层将待连接的碳化硅材料连接在一起。外部热源加热连接的方法为电场辅助热压连接。具体步骤如下：(1)将待连接的碳化硅表面用0.1微米金刚石抛光液抛光，去除表面较大的缺陷及杂质；(2)用PVD法在一块待连接的碳化硅表面镀500nmTi膜，然后将另一块碳化硅与其表面对接；之后将样品放入石墨模具中，然后将石墨模具放置在放电等离子烧结炉中，通过上压头测温。通电流，升温速率为以100℃/min的升温速率升温，升温至炉温1100℃，保温5min，升温过程中对连接样品施加30MPa的压力，然后以100℃/min的速率降温至室温即可。用扫描电子显微镜观察经上述处理后的碳化硅陶瓷材料的中间连接层的界面微观形貌，背散射扫描电镜照片如图3所示，显示该连接界面无明显平行于界面的裂纹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于连接碳化硅陶瓷的连接材料，将其夹置在待连接碳化硅陶瓷材料之间，通过外部热源加热连接界面，从而将待连接的SiC材料连接在一起，其特征是：所述的连接材料是左右层叠结构，包括至少两层钛层，并且相邻的钛层之间为碳层。

【技术特征摘要】
1.一种用于连接碳化硅陶瓷的连接材料，将其夹置在待连接碳化硅陶瓷材料之间，通过外部热源加热连接界面，从而将待连接的SiC材料连接在一起，其特征是：所述的连接材料是左右层叠结构，包括至少两层钛层，并且相邻的钛层之间为碳层。2.如权利要求1所述的用于连接碳化硅陶瓷的连接材料，其特征是：所述的连接材料厚度是50nm～10μm；优选为100nm～1μm。3.如权利要求1所述的用于连接碳化硅陶瓷的连接材料，其特征是：所述层叠结构的层数可控；作为优选，所述单层钛层的厚度可控；更优选，所述单层碳层的厚度可控。4.如权利要求1所述的用于连接碳化硅陶瓷的连接材料，其特征是：通过控制钛层的厚度、碳层的厚度，以及层数而控制连接层的厚度以及钛和碳的摩尔质量比。5.如权利要求1所述的用于连接碳化硅陶瓷的连接材料，其特征是：单层钛层的厚度在纳米量级，优选为10nm～1000nm。6.如权利要求1所述的用于连接碳化硅陶瓷的连接材料，其特征是：单层碳层的厚度在纳米量级，优选为10nm～500nm。7.如权利要求1所述的用于连接碳化硅陶瓷的连接材料，其特征是：所述的碳化硅陶瓷材料包括纯碳化硅陶瓷材料以及以纯碳化硅陶瓷材料为基体的复合材料；作为优选，所述复合材料包括碳纤维增强碳化硅复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄庆，杨辉，周小兵，黄峰，都时禹，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33