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        碳纖維復合材料與金屬連接及接頭力學性能測試

        放大字體  縮小字體 發布日期:2014-09-15  來源:復材應用技術網  瀏覽次數:322
        核心提示:碳纖維復合材料因其強度高、質量輕、導熱性能出眾,在外空間和核工業等領域中的關鍵部件中得以應用。碳纖維復合材料與金屬主要是通過螺栓、膠結、釬焊或擴散焊連接在一起。其中,在釬焊過程中,多數釬料在這類復合材料表面并不潤濕,通常采用活性釬料,在高溫和高真空的條件下進行;釬料的種類不同,釬焊接頭的強度差異也很大。本文對碳纖維復合材料與金屬銅、鈦、鈮、鋁等金屬的連接方法和相關研究進展作了總結,對其接頭的力學性能測試方法作了介紹,并對該領域的研究方向發展做了展望。


               碳纖維復合材料(包括碳/碳復合材料和碳/碳化硅復合材料)是指用碳纖維或石墨纖維為增強相,以碳化硅、石墨化的樹脂或用化學沉積的碳作為基體的復合材料。這種復合材料具有散熱快、溫度上升慢的特點,加上它耐高溫、質量輕、抗腐蝕、較低的線膨脹系數、尺寸穩定、抗熱振和抗燒蝕等有點,因此,特別適合于制造高速車輛及飛機的剎車系統、導彈頭、火箭的鼻錐和噴管喉襯、航天飛機的鼻錐和翼前緣以及透平引擎部位等部件。尤其是最近波音公司推出的新一代787客機,大量采用新型碳纖維復合材料,機身重量減輕,耗油量減少,整體機身的強度卻得到明顯加強。此外,由于其特別低的中子激活能、低的原子序數以及很高的熔點和升華溫度,因此還特別適合于制造核聚變反應堆中的部件。

               在外太空探測器和熱核反應堆中,碳纖維復合材料因強度高、質量輕、導熱性能出眾而在熱控制系統中得以應用,這使它與其它金屬的連接結構成為人們的必然考慮。由于碳或碳化物的熔點很高,因此不能用熔化焊的方法來進行焊接,只能采用釬焊或擴散焊等特殊辦法;碳纖維復合材料的線膨脹系數低于大多數金屬材料,接頭極易在熱應力作用下產生裂紋或斷裂;碳纖維復合材料加熱過程中會釋放出大量的氣體,嚴重影響焊接工藝過程和接頭質量,導致接頭中產生大量氣孔和裂紋。

               由于碳纖維復合材料屬于非金屬材料,釬焊非常困難,一般采用預先在碳纖維復合材料上采用鍍敷、燒結、沉積等方法在表面上處理上一層金屬粉末,然后再進行常規的釬焊。還有一種方法是根據Ti,Zr等金屬具有較大的活性,能夠與非金屬在高溫條件下發生反應,來實施的釬焊方法,稱為活性金屬方法,活性金屬法釬焊有三種方式:(1)將鈦或鋯以墊片方式直接放在碳纖維復合材料間進行釬焊;(2)將鈦或鋯的細粉或鈦或鋯的氫化物,預先涂在待連接面上,再放上釬料進行釬焊;(3)用含鈦和鋯的活性釬料直接進行釬焊。含鈦的釬料都比較脆,難以加工成形,常常做成雙層或多層釬料。如Cu- Ti釬料制成雙金屬片,銀銅鈦釬料制成以鈦為芯,外包復銀銅合金的絲狀等。含鈦的釬料還常常制成粉末狀使用?;钚越饘俜ǖ娜秉c是,釬焊時對真空度和保護氣氛的純度要求很高。釬焊真空度應不低于10-3 Pa。

               碳纖維復合材料由于制備周期長、工藝復雜、成本高等因素,應用范圍僅限于軍事、高科技等領域,其與銅、鈦等金屬的連接技術研究也僅僅局限在國內外部分科研單位。目前,關于這方面的資料尚不多見。本工作就該領域近些年來所取得的最新研究進展,作了系統總結介紹。

        1  碳纖維復合材料與銅的連接

               熱控制系統在航天領域和核工業工程中有著重要的應用,它的設計和制造經常要用到碳或碳纖維復合材料與銅之間的連接。這是因為,碳纖維復合材料與銅的連接結構不但具備良好的導熱性能,而且,相對于單純的銅結構來說,大大降低了結構重量;此外,由于兩種材料導熱系數相近,在釬焊和使用過程中,不會導致較大熱應力的產生。

               其中,碳/碳復合材料與銅主要采用釬焊進行焊接,50%(質量分數)Cu- Pb最早被用來作為釬料[21,在710°C釬焊冷卻后,釬料與復合材料、銅形成連續的連接界面,但是強度不是很高。后來,人們發現,Ti,Zr等過渡元素,具有很強的化學活潑性,在液態時能與碳元素發生反應。添加少許的活性元素制成的活性釬料,可以直接潤濕碳/碳復合材料的表面并完成與其它金屬的連接?;钚越饘兮F料法釬焊需要在真空爐或高純度惰性氣氛中進行,通常一次即可完成釬焊連接。

               近年來,銀基、銅基活性釬料已經開始商業生產,并應用在碳/碳復合材料或陶瓷基復合材料與銅的連接上,見表1。比如,  Cu-ABA  (92.  8Cu-3 Si-2Al-2. 25 Ti)已經用來釬焊碳/碳復合材料與無氧銅。釬焊前,首先用超聲波清洗材料約十分鐘,將0. Imm或0. 2mm厚的釬料箔放入試樣中間,在試樣頂部向下施加6 X10-3 MPa的壓力,以450°C/h的速度加熱,在970°C和980°C保溫0.1h,釬焊溫度約為1030℃,真空度不低于2 X10-3 Pa,快速冷卻到900℃,其后冷卻速度降為180°C/h。碳/碳復合材料與銅可以形成很好的冶金結合,無任何氣子L和微裂紋。

               利用15Cu-1 SNi- 70 Ti.68.  8A g-26.  7Cu-4.5 Ti.63Ag-34.  3Cu-1 Sn-1.75 Ti.也可以獲得碳/碳復合材料與Cu的良好界面‘4]。其中,Ag- Cu- Ti是一種活性釬料,在真空下進行釬焊,釬焊溫度選在820℃左右,可以獲得較高強度的接頭;但由于在核輻射下Ag會轉變成Cd,使接頭性能下降,因此含Ag的這種接頭不能用在核聚變裝置中。用Ti作釬料可解決該問題。Ti作釬料釬焊銅和碳/碳復合材料時,可采用共晶擴散工藝,通常在真空下進行,典型焊接參數為:T=1000°C.t=300s,最好在試樣上加一定的壓力。研究表明,在同樣的焊接條件下,直接在碳/碳復合材料與銅之間插入Ti箔進行擴散釬焊時,接頭強度較低;對碳/碳復合材料表面進行預鍍處理后,接頭強度較高;而采用預涂Cu- Ti膏后,接頭強度最高。

               用49 Ti-49Cu-2Be[5]釬料連接低密度的碳/碳復合材料與銅時,首先要在復合材料的表面涂上一層有機材料(如樹脂等),在1600°C高溫的真空或氬氣保護環境里使有機材料發生碳化,提高復合材料表面碳層的密度,防止釬料熔化后滲入;然后將釬料以焊膏的形式涂在復合材料的表面,在真空條件下加熱至980°C,保溫5 min,所得接頭強度遠遠高于母材強度。值得指出的是,這種釬料還適合連接低密度的碳/碳復合材料與鋼或者陶瓷。

               ITER分流裝置中的熱管為了具備高強度和高導熱性,通常是由最外層碳/碳復合材料包覆著銅合金。Pietro.Appendino通過對碳/碳復合材料表面改性,直接將銅澆鑄在表面。他認為,選用的VIB元素(如Mo,W,Cr)很容易與碳生成碳化物,而這些類似金屬的碳化物易于被熔化的銅所潤濕;各元素對復合材料  表面改性后,銅的潤濕效果也不同。

        資料下載:   碳纖維復合材料與金屬連接及接頭力學性能測試.pdf
         
        關鍵詞: 碳纖維 復合材料
         
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