碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法及其輔助釬焊C/C復(fù)合材料與金屬的方法技術(shù)

碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法及其輔助釬焊C/C復(fù)合材料與金屬的方法，屬于聚合物基復(fù)合材料及焊接技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)要解決現(xiàn)有釬焊C/C復(fù)合材料與金屬時，焊后接頭往往存在較大殘余應(yīng)力，嚴(yán)重弱化接頭強度的問題。復(fù)合材料制備方法是將泡沫銅放置于聚合物的丙酮溶液中，磁力攪拌，取出后真空干燥；管式爐內(nèi)燒結(jié)，冷卻至室溫。釬焊的方法是將上述方法制備的碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料夾在銀銅鈦合金釬料箔片中間，再置于金屬和C/C復(fù)合材料待焊接面之間，放入真空釬焊爐中釬焊。本發(fā)明專利技術(shù)在釬焊過程中，釬料合金與包覆碳層發(fā)生原位反應(yīng)，生成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的TiC增強體，在焊縫中分布均勻，充分的降低了焊縫的殘余應(yīng)力集中，有效提高了接頭質(zhì)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.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法及其輔助釬焊C/C復(fù)合材料與金屬的方法
本專利技術(shù)屬于聚合物基復(fù)合材料及焊接
；具體涉及碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法及其輔助釬焊C/C復(fù)合材料與金屬的方法。
技術(shù)介紹
隨著航空航天、汽車工業(yè)及領(lǐng)域的快速發(fā)展，對高溫環(huán)境下所用材料的性能提出了更高的要求。C/C復(fù)合材料是一種能夠應(yīng)用于高溫環(huán)境下的先進(jìn)復(fù)合材料。其低密度、高強度、線膨脹系數(shù)低、強抗熱震性等優(yōu)異性能，使其成為火箭噴管、機動車剎車片等器件的首選材料之一。但在實際應(yīng)用中，由于C/C復(fù)合材料的加工性能較差，使得制備大尺寸的精密器件難以實現(xiàn)，因此往往需要將C/C復(fù)合材料與其它高溫金屬，例如Nb，進(jìn)行連接。在目前已發(fā)展的眾多研究技術(shù)中，釬焊因其便捷、高效、接頭強度高，已成為連接C/C復(fù)合材料與金屬的最常用方法。但由于C/C復(fù)合材料與金屬的線膨脹系數(shù)不匹配，二者的釬焊接頭往往存在較大的熱殘余應(yīng)力，嚴(yán)重弱化接頭的力學(xué)性能。目前有關(guān)于緩解C/C復(fù)合材料與金屬釬焊接頭殘余應(yīng)力的研究，主要以采用機械混合的方法在釬料中添加增強體為主。但機械混合的方式，難以保證增強體在釬料中均勻分布的可重復(fù)性，很大程度限制了其在實際工業(yè)中的應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決現(xiàn)有釬焊C/C復(fù)合材料與金屬的焊后接頭存在較大殘余應(yīng)力的問題，而提供了碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法及其輔助釬焊C/C復(fù)合材料與金屬的方法。本專利技術(shù)采用聚合物碳化的方式并利用泡沫銅的獨特多孔三維骨架結(jié)構(gòu)在其表面形成超薄碳層，制備均勻分布的網(wǎng)絡(luò)狀碳層增強泡沫銅復(fù)合材料；將該材料作為中間層釬焊C/C復(fù)合材料與金屬，在釬焊過程中利用碳與釬料中鈦元素的反應(yīng)原位制備了均勻分布的網(wǎng)絡(luò)狀TiC增強體，充分降低了焊縫的殘余應(yīng)力集中，有效提高了接頭質(zhì)量；保證了增強體在焊縫中的均勻分布，十分有效的緩解了接頭殘余應(yīng)力并提高了接頭的力學(xué)性能，并具有高度的可重復(fù)性。為解決上述問題，本專利技術(shù)的碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法是由下述步驟完成的：步驟一、將孔隙率大于95％的泡沫銅放置于聚合物的丙酮溶液中，磁力攪拌，取出后真空干燥；步驟二、然后置于管式爐內(nèi)，在保護(hù)氣氛中燒結(jié)，冷卻至室溫后得到碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料。進(jìn)一步限定，步驟一所述的聚合物為酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂或蔗糖。步驟一中聚合物的丙酮溶液是按100ml丙酮加入8g～25g聚合物的配比將聚合物充分溶解在丙酮中配制而成的。步驟一中真空干燥溫度為40℃，真空干燥時間為6h～12h。步驟一中的磁力攪拌速度為100～150轉(zhuǎn)/min，攪拌時間為2h。步驟二燒結(jié)是以流量為100sccm～500sccm的氬氣作為保護(hù)氣，以2～20℃/min的速率升溫至800℃～1000℃后，保溫2h～3h。步驟二以5℃/min～17℃/min的速率冷卻。碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料輔助釬焊C/C復(fù)合材料與金屬的方法是將上述方法制備的碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料夾在銀銅鈦合金釬料箔片中間，再置于金屬和C/C復(fù)合材料待焊接面之間，放入真空釬焊爐中，逐級抽真空至3×10-3Pa，以10℃/min的速率升溫至840℃～940℃后保溫5min～20min，最后以5℃/min的降溫速度隨爐冷卻至室溫，即完成釬焊過程。所述的金屬為Nb、TC4合金或者H99合金等。本專利技術(shù)所用的泡沫多孔材料具有獨特的多孔三維骨架結(jié)構(gòu)，孔的分布及孔徑大小的分布十分均勻，有利引入增強體，故利用泡沫銅在其表面構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀超薄碳層。然后以該碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料作為中間層釬焊C/C復(fù)合材料與金屬，充分的降低了焊縫的殘余應(yīng)力集中，有效提高了接頭質(zhì)量。本專利技術(shù)可以對多種聚合物材料進(jìn)行碳化處理。本專利技術(shù)制備的碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料中，碳層能夠借助泡沫銅獨特的三維骨架形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，十分均勻的分散于焊縫中，充分緩解接頭殘余應(yīng)力，提高了接頭強度，接頭室溫剪切強度能達(dá)到45.5MPa。本專利技術(shù)采用的方法高效、便捷，并具有很強的可重復(fù)性，適于工業(yè)應(yīng)用。附圖說明圖1為在表面碳化處理酚醛樹脂后泡沫銅的SEM圖片；圖2為采用包覆碳層增強泡沫銅作為中間層釬焊C/C復(fù)合材料與Nb的接頭微觀組織形貌圖。具體實施方式具體實施方式一：本實施方式中碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法是由下述步驟完成的：步驟一、將13.00g酚醛樹脂溶解在100ml丙酮中，待聚合物充分溶解后得到酚醛樹脂的丙酮溶液，然后將孔隙率為97％的泡沫銅放置于酚醛樹脂的丙酮溶液中，采用磁力加速攪拌器以120轉(zhuǎn)/min的攪拌速度進(jìn)行磁力攪拌2h，取出后在40℃條件下真空干燥12h；步驟二、然后置于管式爐內(nèi)，通入流量為200sccm的氬氣作為保護(hù)氣，以20℃/min的速率升溫至900℃后，保溫?zé)Y(jié)3h，以15℃/min的速率隨爐冷卻至室溫后得到碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料。碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料輔助釬焊C/C復(fù)合材料與金屬的方法是將上述方法制備得到的碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料作為軟性中間層夾在兩片銀銅鈦合金釬料箔片中間，再置于金屬Nb和C/C復(fù)合材料待焊接面之間，放入真空釬焊爐中，逐級抽真空至3×10-3Pa，以10℃/min的速率升溫至850℃后保溫15min，最后以5℃/min的降溫速度隨爐冷卻至室溫，即完成釬焊過程。本實施方式在泡沫銅材料表面均勻覆蓋聚合物后，對其在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行高溫碳化處理，最終在泡沫銅表面形成碳層。在釬焊過程中，釬料合金與包覆碳層發(fā)生原位反應(yīng)，借助泡沫銅的獨特三維骨架生成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的TiC增強體，在焊縫中分布均勻，充分的降低了焊縫的殘余應(yīng)力集中，有效提高了接頭質(zhì)量。具體實施方式二：本實施方式中碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法是由下述步驟完成的：步驟一、將8.62g酚醛樹脂溶解在100ml丙酮中，待聚合物充分溶解后得到酚醛樹脂的丙酮溶液，然后將孔隙率為97％的泡沫銅放置于酚醛樹脂的丙酮溶液中，采用磁力加速攪拌器(攪拌速度為120轉(zhuǎn)/min)磁力攪拌2h，取出后在40℃條件下真空干燥12h；步驟二、然后置于管式爐內(nèi)，通入流量為300sccm的氬氣作為保護(hù)氣，以5℃/min的速率升溫至1000℃后，保溫?zé)Y(jié)3h，以15℃/min的速率隨爐冷卻至室溫后得到碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料。碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料輔助釬焊C/C復(fù)合材料與金屬的方法是將上述方法制備得到的碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料作為軟性中間層夾在兩片銀銅鈦合金釬料箔片中間，再置于金屬Nb和C/C復(fù)合材料待焊接面之間，放入真空釬焊爐中，逐級抽真空至3×10-3Pa，以10℃/min的速率升溫至840℃后保溫10min，最后以5℃/min的降溫速度隨爐冷卻至室溫，即完成釬焊過程。具體實施方式三：本實施方式中碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法是由下述步驟完成的：步驟一、將18.50g環(huán)氧樹脂溶解在100ml丙酮中，待聚合物充分溶解后得到環(huán)氧樹脂的丙酮溶液，然后將孔隙率為97％的泡沫銅放置于環(huán)氧樹脂的丙酮溶液中，采用磁力加速攪拌器(攪拌速度為120轉(zhuǎn)/min)磁力攪拌2h，取出后在50℃條件下真空干燥12h；步驟二、然后置于管式爐內(nèi)，通入流量為500sccm的氬氣作為保護(hù)氣，以8℃/min的速率升溫至1000℃后，保溫?zé)Y(jié)2h，以8℃/min的速率隨爐冷卻至室溫后得到碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料。碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料輔助釬焊C/C復(fù)合材料與金屬的方法是將上本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法是由下述步驟完成的：步驟一、將孔隙率大于95％的多孔泡沫銅材料放置于聚合物的丙酮溶液中，磁力攪拌，取出后真空干燥；步驟二、然后置于管式爐內(nèi)，在保護(hù)氣氛中燒結(jié)，冷卻至室溫后得到碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料。

【技術(shù)特征摘要】
1.碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法是由下述步驟完成的：步驟一、將孔隙率大于95％的多孔泡沫銅材料放置于聚合物的丙酮溶液中，磁力攪拌，取出后真空干燥；步驟二、然后置于管式爐內(nèi)，在保護(hù)氣氛中燒結(jié)，冷卻至室溫后得到碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述的聚合物為酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂或蔗糖。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中聚合物的丙酮溶液是按100ml丙酮加入8g～25g聚合物的配比將聚合物充分溶解在丙酮中配制而成的。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中真空干燥溫度為40℃，真空干燥時間為6h～12h。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中的磁力攪拌速度為100～150轉(zhuǎn)/min，攪拌時間為2h。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳層包覆泡沫銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二燒結(jié)是以流量為100sccm～50...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李蔓妮，鄭婷，邱思，魯春蕊，劉盈驛，肖海英，張東興，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：黑龍江,23