碳/碳复合材料与铜连接的界面结构及制备方法技术

碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，在碳/碳复合材料的表面设有至少2个圆锥孔，在所述圆锥孔中以及碳/碳复合材料与铜结合的表面布满钎焊料，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。制备方法是将碳/碳复合材料和铜表面加工平整，清洗表面油渍，在碳/碳复合材料的表面加工圆锥孔，超声清洗，将钎焊料填充至圆锥孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，真空钎焊，得到圆锥刺界面结构。本发明专利技术通过将圆锥刺界面结构引入碳/碳复合材料与铜之间，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳/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。
技术介绍
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°C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2X10_6/K?5X10_6/K，铜的线膨胀系数为17.2X10_6/°C，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弓I致的连接强度低的问题。专利技术目的本专利技术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。本专利技术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。本专利技术一种碳/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。本专利技术一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，所述圆锥孔的直径为I?5mm，长径比为1.5?20，相邻圆锥孔轴线之间的间距为l-15mm。本专利技术一种碳/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%T1:6_12%。本专利技术一种碳/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。本专利技术一种碳/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，清洗表面油溃备用;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溃；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。本专利技术一种碳/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。本专利技术一种碳/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%T1:6_12%。本专利技术一种碳/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°C，真空度为≤10Pa。本专利技术一种碳/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I~5mm、长径比为1.5~20,相邻圆锥孔轴线之间的间距为l_15mm。本专利技术中，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。本专利技术中，所述真空钎焊温度为1050_1060°C，真空度为≤10Pa。本专利技术的机理简述于下:本专利技术采用的钎焊料Cu-Ti合金熔化后，一方面，其中的Ti元素富集于碳/碳复合材料表面并形成Tie，实现钎焊料与碳/碳复合材料的润湿；另一方面，其中的Cu、Ti元素与铜工件表面的Cu合金化，实现钎焊料与铜工件的润湿；由钎焊料固化形成的圆锥刺，在碳/碳复合材料和铜之间形成界面的膨胀系数连续过渡，改善界面膨胀匹配，降低界面残余热应力，提高连接强度。本专利技术由于采用上述工艺方法，因而，具有如下优点和积极效果:1、采用圆锥刺界面结构，在碳/碳复合材料和铜之间形成界面的膨胀系数连续过渡，改善界面膨胀匹配，有效降低界面残余应力。与平直连接界面结构相比，圆锥刺界面结构使界面残余应力降低40%以上。2、采用圆锥刺界面结构，降低界面残余应力对界面结构的损伤，提高碳/碳复合材料与铜的连接强度。与平直连接界面结构相比，圆锥刺界面结构使碳/碳复合材料与铜的连接强度提高10倍以上。3、采用Cu-Ti合金作为钎焊料，熔化后，Ti元素富集于碳/碳复合材料表面并形成TiC，实现钎焊料与碳/碳复合材料的润湿，同时，CiuTi元素与铜工件表面的Cu合金化，实现钎焊料与铜工件的润湿；提高碳/碳复合材料与铜的连接强度。4、采用本专利技术，在尺寸为20mmX20mmX30mm的碳/碳复合材料工件的待连接表面(尺寸为20mmX20mm)加工出直径为2mm、长径比为5的圆锥刺孔，以Cu-Ti (8.6%质量)合金粉末为焊料，经1050°C真空钎焊得到的碳/碳复合材料与铜的连接件，连接强度达到72MPa。综上所述，本专利技术提供的碳/碳复合材料与铜连接的圆锥刺界面结构及其制备方法，通过将圆锥刺界面结构引入碳/碳复合材料与铜之间，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。 【附图说明】附图1为本专利技术的圆锥刺界面结构示意图图中:I—碳/碳复合材料工件，2-圆锥，3-铜工件。【具体实施方式】实施例1( I)将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油溃备用；(2)采用机械钻孔方式在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔，孔的直径为1mm、长径比为20，圆锥孔在碳/碳复合材料待连接表面呈紧密排列，相邻圆锥孔轴线之间的间距为1_，其轴线平行于待连接表面法线；(3)超声清洗碳/碳复合材料，去除圆锥孔中的残屑及污溃；(4)以Cu (90)-Ti (10)合金粉末填充碳/碳复合材料待连接表面的圆锥孔及碳/碳复合材料与铜的连接界面，采用真空钎焊方式实施碳/碳复合材料与铜的连接，钎焊温度为1050-1060°C，真空度为≤10Pa，即得圆锥刺界面结构。与平直界面结构相比，所述圆锥刺界面结构，使尺寸为20mmX20mm的连接界面的连接强度由5MPa提高到186MPa。实施例2( I)将碳/碳复合材料工件和铜工件的待连接表面加工平整，清洗表面油溃备用；(2)采用机械钻孔方式在碳/碳复合材料工件的待连接表面加工出圆锥孔，孔的直径为2mm、长径比为5，圆锥孔在碳/碳复合材料待连接表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种碳/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，其特征在于: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。2.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，其特征在于:所述圆锥孔的直径为I~5mm,长径比为1.5~20。3.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，其特征在于:相邻圆锥孔轴线之间的间距为l_15mm。4.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，其特征在于: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%ο5.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料与铜连接的界面结构，其特征在于: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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张福勤，张小英，夏莉红，瞿志明，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：