一种碳化硅陶瓷材料的连接方法技术

本发明专利技术提供了一种碳化硅陶瓷材料的连接方法。该方法在一块碳化硅陶瓷材料的待连接位置加工一内凹的螺纹孔；将另一块碳化硅陶瓷材料的待连接位置加工成一外凸带螺纹的螺栓形状，在螺纹表面沉积中间连接层，沉积后的螺纹与所述螺纹孔相螺合；该中间连接层为层叠结构，包括至少两层钛层，并且相邻的钛层之间为碳层；利用螺纹孔与螺栓之间的机械配合将待连接的碳化硅陶瓷材料连接在一起；并且通过外部热源加热使连接界面生化学扩散作用，进一步加强待连接的碳化硅陶瓷材料的连接。

A joint method for silicon carbide ceramics

The present invention provides a method for connecting silicon carbide ceramic material. The method of the silicon carbide ceramic materials to be connected position of a concave screw hole; the connection position will be processed into the shape of a convex bolt threaded out of another piece of silicon carbide ceramic materials, in the middle of deposition thread surface connection layer, thread after deposition with the thread of Kong Xiangluo; the middle connection layer is a laminated structure, including at least two layers of titanium and titanium layer, layer between adjacent carbon layer; between the thread hole and the bolt with the machinery will be silicon carbide ceramic materials connected together; and through the external heat source heating interface chemical diffusion effect, to further strengthen the connection of silicon carbide ceramic materials to be connected the.

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅陶瓷材料的连接方法
本专利技术属于碳化硅陶瓷材料
，具体涉及一种碳化硅陶瓷材料的连接方法。
技术介绍
碳化硅陶瓷(SiC)及其复合材料由于具有良好的高温抗氧化性、耐磨性和优异的机械性能而被认为是一种很有前途的高温结构材料。然而，碳化硅陶瓷及其复合材料的高脆性及低延展性使其难以制成复杂的零部件，经常要与其它部件连接在一起组成复合结构来达到使用要求。因此，加强对碳化硅陶瓷及其复合材料连接问题的研究对扩大其工程应用具有重要意义。碳化硅陶瓷及其复合材料的连接方法包括机械连接，摩擦焊接，高能量束焊接，微波连接，玻璃相连接，反应连接，钎焊，扩散连接，瞬间液相连接和部分瞬间液相连接等。其中，机械连接、活性钎焊、扩散连接、瞬态共晶相连接是目前碳化硅陶瓷及其复合材料连接的主要方法。机械连接是碳化硅陶瓷及其复合材料连接的一种重要方法，目前很多应用碳化硅及其复合材料是通过机械连接实现的；但是，机械连接接头具有致密性低和加工成本高等缺点，目前通过这种连接的部件大部分都在低温下使用。钎焊是目前研究比较多的方法，技术相对成熟，该方法具有连接接头性能稳定、可靠性高、适用面广等优点，但是在连接中需要考虑钎料与母材的润湿问题，钎料的选择十分关键。扩散连接是利用固态扩散原理，通过加热和加压来实现被连接材料的结合，通常需要引入一些填充金属作为中间连接材料，所以在选择中间连接材料时需要特别考虑该中间连接材料与母材热膨胀系数的匹配问题；并且此种连接方法通常需要在高温高压下进行，故在接头处易形成脆性化合物；另外，接头结构、分布和中间连接层厚度等因素将影响构件的连接强度。因此，这些方法都有各自的特点，但是也都存在各自的缺点。
技术实现思路
本专利技术提供了一种碳化硅陶瓷材料的连接方法，具有连接牢固，可靠性强的优点。本专利技术用于连接两块碳化硅陶瓷材料，具体方法是：在一块碳化硅陶瓷材料的待连接位置加工一内凹的螺纹孔；将另一块碳化硅陶瓷材料的待连接位置加工成一外凸的螺栓形状，在其螺纹表面沉积中间连接层，沉积后的螺纹与所述螺纹孔相螺合；所述中间连接层呈层叠结构，包括至少两层钛层，并且相邻的钛层之间为碳层；将螺栓螺合进螺纹孔，实现两块碳化硅陶瓷材料的机械连接；然后，采用外部热源加热连接的方式，通过中间连接层将待连接的陶瓷材料进一步连接在一起。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。所述中间连接层为层叠结构，根据实际需要，该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0～1000nm，进一步优选为10nm～500nm。作为优选，所述中间连接层的总厚度为50nm～6μm。作为优选，所述的螺栓表面螺纹长度为10mm～100mm。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。所述中间连接层在碳化硅螺纹表面的制备方法不限，包括采用物理气相沉积(PVD)法、化学气相沉积(CVD)法、流延法、喷涂法以及电镀法等在碳化硅螺纹表面依次交替制备钛层与碳层，然后再制备一层钛层。综上所述，本专利技术利用螺纹孔与表面带螺纹的螺栓之间的机械配合，将两块待连接的碳化硅陶瓷材料连接紧固在一起；并且，在碳化硅螺纹表面沉积中间连接层，通过外部热源加热，使连接界面达到一定温度(即连接温度)，从而发生化学扩散作用进一步加强了待连接的碳化硅陶瓷材料的连接。与现有技术相比，具有如下优点：(1)机械连接与化学扩散连接相结合，具有连接牢固、可靠性强的优点；(2)设计中间连接层为层叠结构，将钛层与碳层交替层叠，一方面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；另一方面，在一定的连接温度下，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，节约成本，降低工业化生产难度；(3)优选降低中间连接层厚度，使从碳化硅陶瓷材料中扩散出来的原子在中间连接层中的浓度提高，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是本专利技术实施例1中带有螺纹的螺栓示意图，螺纹表面已沉积中间连接层；图2是图1中中间连接层的结构示意图；图3是本专利技术实施例1中实现机械连接的两块碳化硅陶瓷材料的内部结构示意图。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。本实施例中，待连接材料为碳化硅陶瓷，连接方法如下：连接层材料为如图1和图3所示的螺帽和螺栓，连接方法为电场辅助连接。具体实施步骤如下：(1)将直径为20mm，高20mm的将碳化硅陶瓷表面用0.1微米金刚石抛光液粗略抛光，去除表面较大的缺陷及杂质；(2)在一块碳化硅陶瓷待连接位置机加出一个内凹的M8的沉头螺纹孔；将另一块碳化硅陶瓷的待连接位置加工成一个外凸的沉头螺栓，如图1所示，螺栓表面带有螺纹，螺纹部位的总长度为20mm；用PVD的方法在螺纹表面沉积中间连接层，沉积后的螺纹与所述螺纹孔相螺合。如图2所示，该中间连接层为上下叠层结构，包括14层Ti膜，并且相邻的钛膜之间为碳膜。即，用PVD法在碳化硅螺纹表面依次镀15nmTi/10nmC/30nmTi/10nmC…..30nmTi/10nmC/15nmTi，共计14层Ti膜，13层C膜，最上层与最下层的钛膜厚度均为15nm，其余钛膜厚度均为30nm，各层碳膜的厚度均为10nm；叠层后中间连接层的总厚度为520nm，TiC＝1:0.6。(3)如图3所示，将螺栓螺合进螺纹孔，实现两块碳化硅陶瓷材料的机械连接；然后，将样品放入石墨模具中，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，以100℃/min的升温速率升温，升温至炉温1300℃，保温5min，升温过程中不需要对连接样品施加压力，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显示该连接界面无明显平行于界面的裂纹，连接层致密，强度较高，界面无明显的相衬度。以上所述的实施例对本专利技术的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本专利技术的具体实施例，并不用于限制本专利技术，凡在本专利技术的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硅陶瓷材料的连接方法，用于连接两块碳化硅陶瓷材料，其特征是：在一块碳化硅陶瓷材料的待连接位置加工一内凹的螺纹孔；将另一块碳化硅陶瓷材料的待连接位置加工成一外凸带螺纹的螺栓形状，在螺纹表面沉积中间连接层，沉积后的螺纹与所述螺纹孔相螺合；所述中间连接层为层叠结构，包括至少两层钛层，并且相邻的钛层之间为碳层；将螺栓螺合进螺纹孔，实现两块碳化硅陶瓷材料的机械连接；然后，采用外部热源加热连接的方式，通过中间连接层将待连接的陶瓷材料进一步连接在一起。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅陶瓷材料的连接方法，用于连接两块碳化硅陶瓷材料，其特征是：在一块碳化硅陶瓷材料的待连接位置加工一内凹的螺纹孔；将另一块碳化硅陶瓷材料的待连接位置加工成一外凸带螺纹的螺栓形状，在螺纹表面沉积中间连接层，沉积后的螺纹与所述螺纹孔相螺合；所述中间连接层为层叠结构，包括至少两层钛层，并且相邻的钛层之间为碳层；将螺栓螺合进螺纹孔，实现两块碳化硅陶瓷材料的机械连接；然后，采用外部热源加热连接的方式，通过中间连接层将待连接的陶瓷材料进一步连接在一起。2.如权利要求1所述的碳化硅陶瓷材料的连接方法，其特征是：所述单层钛层的厚度为10nm～1000nm。3.如权利要求1所述的碳化硅陶瓷材料的连接方法，其特征是：所述单层碳层的厚度为0～1000nm，进一步优选为10nm～500nm。4.如权利要求1所述的碳化硅陶瓷材料的连接方法，其特征是：所述中间连接层的总厚度为50nm～6μm。5.如权利要求1所述的碳化硅陶瓷材料的连接方法，其特征是：所述的螺栓表面螺纹长度为10mm～100...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄庆，杨辉，周小兵，陈凡燕，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