[發明專利]基于碳碳復合材料表面改性的提高釬料潤濕性能的方法

在審

• 申請號: 201710392085.6
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN108929115A
• 公開（公告）日: 2018-12-04
• 發明（設計）人: 楊振文;王春雷;王穎;林佳美;韓英;王東坡
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B37/02
• 分類號: C04B37/02;C04B41/85
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發明公開基于碳碳復合材料表面改性的提高釬料潤濕性能的方法，在碳碳復合材料氧化預處理后形成的孔隙處原位生長碳納米管，以此為橋梁促進液態釬料在釬焊過程中潤濕鋪展和提高向孔隙中填充的能力。選擇通過化學氣相沉積方法在碳碳復合材料表面生長碳納米管，碳碳復合材料表面改性后，選用能潤濕碳碳復合材料的釬料對碳碳復合材料自身或與金屬進行釬焊。本發明對焊前的碳碳復合材料表面進行高溫氧化并生長CNTs，使釬縫與碳碳復合材料形成浸滲界面結構，并且提高了液態釬料鋪展和填孔能力，使釬料與碳碳復合材料反應更加充分，對于降低接頭中的殘余應力，提高接頭連接性能有重要意義。

技術領域

本發明涉及到釬焊過程中，通過對碳碳復合材料連接表面改性以提高其自身或與金屬釬焊連接性能的方法。更具體地講，涉及到一種通過碳碳復合材料表面高溫氧化處理在釬焊接頭中形成浸滲界面以增大連接面積和形成釘扎效應，并通過化學氣相沉積在高溫氧化處理的碳碳復合材料表面生長碳納米管(CNTs)提高液態釬料對復合材料表面潤濕性的方法。同時，CNTs在釬焊過程中原位反應在界面連接區域形成低熱膨脹系數的化合物，進一步緩解殘余應力，提高接頭連接性能。

背景技術

碳碳復合材料是以多維編織的碳纖維為增強相，以化學氣相滲透或液相浸漬裂解形成的熱解碳為基體組成的一種新型高性能結構功能復合材料，具有密度低，彈性模量高、比強度大、熱脹系數低、耐腐蝕以及高溫性能良好等優點，其在航空航天、化工、冶金和核能等領域具有良好應用前景。然而，由于其制備工藝的復雜性，導致大尺寸或者形狀復雜的碳碳復合材料產品制造周期長、成本高。而且，實際工程應用中，部分構件需要將碳碳復合材料與金屬連接使用，例如碳碳復合材料發動機噴管需要與金屬環連接，發揮異種材料的各自優勢。對于碳碳復合材料與金屬的連接技術，釬焊應用最為廣泛。但是由于金屬與碳碳復合材料物理性能(熱膨脹系數和彈性模量等)存在較大差異，導致冶金結合后接頭在冷卻過程中形成較大的殘余應力，尤其對于平直的界面結構，連接界面極易因受到殘余應力而產生裂紋，這將在很大程度上降低接頭的連接性能和可靠性，限制了其與金屬連接件的應用。因此提出一種簡便的表面改性方法，能夠提高釬料的潤濕鋪展能力，同時改善連接界面的微觀結構，緩解殘余應力以提高連接性能，對于擴大其應用范圍具有很好的現實意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供基于碳碳復合材料表面改性的提高釬料潤濕性能的方法，通過高溫氧化及生長CNTs處理，改善釬料對氧化后的碳碳復合材料的潤濕性，增強釬料的鋪展及填孔能力，并將碳碳復合材料微觀連接界面結構由平直界面改變為浸滲界面，同時實現增大連接面積和緩解殘余應力，最終達到提高碳碳復合材料自身及其與金屬接頭連接性能。

本發明的目的通過下述技術方案予以實現：

基于碳碳復合材料表面改性的提高釬料潤濕性能的方法，按照下述步驟進行：

步驟1，將碳碳復合材料進行氧化預處理后，以使碳碳復合材料表面的基體碳處產生孔隙；

步驟2，利用化學氣相沉積(CVD)的方法在碳碳復合材料表面，以及經氧化預處理后基體碳產生孔隙處原位生長碳納米管。

在步驟1中，采用空氣氣氛高溫處理，碳碳復合材料在600℃～900℃溫度范圍高溫氧化5-15min產生孔隙，并可通過調節氧化參數控制孔隙尺寸。

在步驟1中，使用砂紙(800-1500號砂紙)對碳碳復合材料進行打磨。

在步驟1中，經氧化預處理后的孔隙尺寸為寬度為0.5～1.5μm，深度35～40μm。

在步驟2中，通過化學氣相沉積(CVD)的工藝調整，以調整碳納米管的數量和形態，如CVD實驗選用適當的碳源(如甲烷、乙炔)，催化劑(如鐵、鈷、鎳)，氣體流量比以及生長溫度(500℃～900℃)和時間(5-60min)參數可以獲得適當含量且分布均勻的CNTs。

經上述方法的碳碳復合材料表面改性后，選用能潤濕碳碳復合材料的釬料對碳碳復合材料與金屬進行釬焊。