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碳纤维复合材料(囊括碳/碳复合材料和碳/碳化硅复合材料)是指用碳纤维或石墨纤维为巩固相,以碳化硅、石墨化的树脂或用化学堆积的碳做为基体的复合材料。这类复合材料具备散热快、温度飞腾慢的特性,加之它耐高温、品质轻、抗侵蚀、较低的线膨胀系数、尺寸波动、抗热振和抗烧蚀等有点,是以,分外恰当于建立高速车辆及飞机的刹车系统、导弹头、火箭的鼻锥和喷管喉衬、航天飞机的鼻锥和翼前缘以及透平引擎部位等部件。特为是近来波音公司推出的新一代客机,大批采取新式碳纤维复合材料,机身分量减弱,耗油量淘汰,集体机身的强度却赢得显然巩固。其余,由于其分外低的中子激活能、低的原子序数以及很高的熔点和升华温度,是以还分外恰当于建立核聚变反响堆中的部件。
在外天外探测器和热核反响堆中,碳纤维复合材料因强度高、品质轻、导热本能突出而在热掌握系统中得以运用,这使它与此外金属的联结结组成为人们的肯定思考。由于碳或碳化物的熔点很高,是以不能用融化焊的办法来举办焊接,只可采取钎焊或分散焊等非凡想法;碳纤维复合材料的线膨胀系数低于大普遍金属材料,接洽极易在热应力效用下造成裂纹或断裂;碳纤维复合材料加热流程中会释放出大批的气体,严峻影响焊接工艺流程和接洽品质,致使接洽中造成大批气孔和裂纹。
由于碳纤维复合材料属于非金属材料,钎焊分外艰巨,普遍采取预先在碳纤维复合材料上采取镀敷、烧结、堆积等办法在表面上责罚上一层金属粉末,尔后再举办通例的钎焊。再有一种办法是按照Ti,Zr等金属具备较大的活性,也许与非金属在高温前提下产生反响,来实践的钎焊办法,称为活性金属办法,活性金属法钎焊有三种方法:
(1)将钛或锆以垫片方法直接放在碳纤维复合材料间举办钎焊;
(2)将钛或锆的细粉或钛或锆的氢化物,预先涂在待联结面上,再放上钎料举办钎焊；
(3)用含钛和锆的活性钎料直接举办钎焊。
含钛的钎料都相比脆,难以加工成形,时时做成双层或多层钎料。如Cu-Ti钎料制成双金属片,银铜钛钎料制成以钛为芯,外包复银铜合金的丝状等。含钛的钎料还时时制成粉末状行使。活性金属法的瑕玷是,钎焊时对真空度和掩护氛围的纯度请求很高。钎焊真空度应不低于Pa。碳纤维复合材料由于制备周期长、工艺繁杂、成本高级成分,运用范畴仅限于军事、高科技等范围,其与铜、钛等金属的联结本领协商也只是控制在国表里部份科研单元。今朝,对于这方面的材料尚未几见。
1碳纤维复合材料与铜的联结
热掌握系统在航天范围和核产业工程中有偏重大的运用,它的策画和建立常常要用到碳或碳纤维复合材料与铜之间的联结。这是由于,碳纤维复合材料与铜的联结机关不光具备优良的导热本能,况且,相对于纯真的铜机关来讲,大大消沉了却构分量;其余,由于两种材料导热系数相近,在钎焊和行使流程中,不会致使较大热应力的造成。
此中,碳/碳复合材料与铜重要采取钎焊举办焊接,50%(品质分数)Cu2Pb最先被用来做为钎料,在℃钎焊冷却后,钎料与复合材料、铜造成连结的联结界面,不过强度不是很高。后来,人们发觉,Ti,Zr等过渡元素,具备很强的化学天真性,在液态时能与碳元素产生反响。增加少量的活性元素制成的活性钎料,也许直接潮湿碳/碳复合材料的表面并实行与此外金属的联结。活性金属钎料法钎焊需求在真空炉或高纯度惰性氛围中举办,时常一次便可实行钎焊联结。
比年来,银基、铜基活性钎料曾经发端贸易临盆,并运用在碳/碳复合材料或陶瓷基复合材料与铜的联结上,见表1。好比,Cu-ABA(92.8Cu-3Si-2Al-2.25Ti)曾经用来钎焊碳/碳复合材料与无氧铜。钎焊前,首先用超声波冲洗材料约特地钟,将0.1mm或0.2mm厚的钎料箔放入试样中央,在试样顶部向下施加6×10-3MPa的压力,以℃/h的速率加热,在℃和℃保温h,钎焊温度约为℃,真空度不低于2×10-3Pa,倏地冷却到℃,后来冷却速率降为℃/h。碳/碳复合材料与铜也许造成很好的冶金连系,无任何气孔和微裂纹。
欺诈15Cu-15Ni-70Ti,68.8Ag-26.7Cu-4.5Ti,63Ag-34.3Cu-1Sn-1.75Ti,也也许赢得碳/碳复合材料与Cu的优良界面。此中,Ag2Cu2Ti是一种活性钎料,在真空下举办钎焊,钎焊温度选在℃左右,也许赢得较高强度的接洽;但由于在核辐射下Ag会转换为Cd,使接洽本能降落,是以含Ag的这类接洽不能用在核聚变装配中。用Ti做钎料可收拾该题目。Ti做钎料钎焊铜和碳/碳复合材料时,可采取共晶分散工艺,时常在真空下举办,榜样焊接参数为:T=℃,t=s,最幸亏试样上加肯定的压力。协商讲明,在一样的焊接前提下,直接在碳/碳复合材料与铜之间插入Ti箔举办分散钎焊时,接洽强度较低;对碳/碳复合材料表面举办预镀责罚后,接洽强度较高;而采取预涂Cu2Ti膏后,接洽强度最高。
用49Ti-49Cu-2Be钎料联结低密度的碳/碳复合材料与铜时,首先要在复合材料的表面涂上一层有机材料(如树脂等),在℃高温的真空或氩气掩护处境里使有机材料产生碳化,抬高复合材料表面碳层的密度,避让钎料融化后渗入;尔后将钎料以焊膏的大势涂在复合材料的表面,在真空前提下加热至℃,保温5min,所得接洽强度远远高于母材强度。值得指出的是,这类钎料还恰当联结低密度的碳/碳复合材料与钢也许陶瓷。
ITER分流装配中的热管为了具备高强度和高导热性,时常是由最外层碳/碳复合材料包覆着铜合金。Pietro1Appendino颠末对碳/碳复合材料表面改性,直接将铜浇铸在表面。他以为,采用的ⅥB元素(如Mo,W,Cr)很轻易与碳生成碳化物,而这些相仿金属的碳化物易于被融化的铜所潮湿;各元素对复合材料表面改性后,铜的潮湿完毕也不同(图1)。
在联结实习中,先将Cr和Mo以粉末的大势混杂,涂敷在碳/碳复合材料表面,在真空或氩气掩护下,将温度升至1℃以上,保温1h,保证造成碳化层;尔后将表面改性的碳/碳复合材料与铜合金放入一个石墨容器中,在℃下保温20min,终究所得试样强度可抵达33MPa左右。在碳/碳复合材料表面机器打孔约～μm深,再将碳/碳复合材料与铜合金焊合在一同,尔后在室温处境下做剪切强度测试。经与未做表面打孔的试样强度相比,Pietro1Appendino等人发觉,固然融化的铜渗入了孔洞,不过对接洽强度的抬高不是很显然,并以为这一工序也许在工艺流程中省略。
欺诈胶接也可将碳纤维复合材料与铜联结起来。这类接洽普遍用于导电机关,是以要欺诈导电黏剂举办胶结。比如,可采取DAD系列导电胶举办胶结,涂胶并贴合后,在60℃下固化5h。若是抬高固化温度,固化光阴可淘汰。
2碳纤维复合材料与钛合金的联结
由于碳纤维复合材料耐高温、密度低,成为火箭、卫星等航天对象焚烧室材料的首选;而钛及钛合金做为高强度、低密度的材料,在航天产业中曾经有着宽广的运用,是以,为了餍足实践工程上的需求,将这两种材料联结在一同也就成了肯定。
保守的钎焊工艺是颠末抬高焊接温度来抬高焊料对材料的潮湿性,增加焊接强度。这些工艺的焊接温度普遍在～℃,而这个温度高出了钛合金的相变温度,会致使钛合金的本能降落。颠末焊前对碳纤维复合材料表面改性,即在碳纤维复合材料表面扩渗、堆积一层厚3μm的金属梯度层Ni,使它们之间造成分散层,再堆积一层2μm的TC4钛合金层,筛选高真空工艺在2×10-3Pa的真空下,用银基铅焊料只要在～℃的温度,保温15min,就也许赢得剪切强度为48MPa的焊缝。
相对于镍基也许钛基钎料来讲,银基钎料具备更低的钎焊温度。将Ag-26.7Cu-4.6Ti制成50μm厚的钎料箔,夹在C/SiC复合材料与TC4之间,材料在焊接以前均颠末砂纸的打磨和超声波冲洗,在～℃下钎焊,保温3～30min,加热速率在30℃/min,真空度不低于1×10-4MPa。图2为接洽的金相布局相片,也许看到,Ag-26.7Cu-4.6Ti钎料涌现了向C/SiC复合材料浸透的局面;钎料与钛合金的界面相对相比平滑平坦,况且没有金属间脆性相的造成。至于钎料布局上的黑色“雀斑”,也许是钎焊流程中造成的细小空洞,由于空洞很少,况且不连结,没有在界面上生成,是以,其对钎焊焊缝的强度影响并不显然。
YouqiongQin将钎焊时钎料和母材互相分散的流程分为五个阶段,即:
(1)钎料与母材的物理来往;
(2)原子层面上的分散;
(3)反响层的生成;
(4)反响层的堆积增厚;
(5)反响层凝聚和Ag的析出。
其余,钎焊温度和保温光阴对接洽的强度都有影响:当钎焊温度较低或保温光阴太短时,原子间的互相分散和反响尚不充足;反之,则会造成过多的金属间化合物,这些都市致使接洽本能降落。
在Ag2Cu2Ti钎猜中增加肯定量的短碳纤维,也许灵验地抬高接洽的抗剪切强度。比如,当钎猜中的碳纤维体积分数占到12%时,℃保温30min,碳/碳化硅和Ti-6Al-4V的接洽剪切强度也许抵达84MPa。碳纤维的热膨胀系数(CTE)相比低,当碳纤维在钎猜中的体积分数抬高时,也许灵验地消沉接洽的热应力,造成钎料的起伏性降落;不过,当碳纤维的比例太高时,会与钎猜中的活性元素Ti反响过多,引发钎料在复合材料上潮湿性的降落。
TiCuNi与TiCuSil这两种活性钎料运用到钛管与碳/碳复合材料基片的钎焊,抗拉强度较Ag-26.7Cu-4.6Ti偏低。钎料在钎焊流程中并没有渗入到复合材猜中去,这也许是由于TiC等金属间化合物在界面造成了连结过渡层的来由,拦阻了钎料的渗入。当复合材猜中的碳/碳束的方位笔直于钛管时,抗载荷能耐要优于其方位平行于钛管时。
宇航用粘结剂EANA也许用来粘结Ti-6Al-4V与C/C-SiC复合材料。不过,胶结所受外界影响成分较多(如胶结的温度,走漏光阴的是非),必需有一个符合的工艺参数;不然,接洽的强度乃至会消沉40%～50%,起源是受外界处境的效用,也许会在接洽地区造成氧化物也许碳化物,进而弱化接洽强度。
3 碳纤维复合材料与金属铌的联结
为了赢得行使温度较高的联结件,以餍足碳纤维材料的运用需求,童巧英等人采取一种熔点较高的Ni基联结剂做中央层,用液相浸透办法对用二维和三维编制的碳/碳化硅复合材料与金属铌举办联结。金属铌、碳/碳化硅联结试样及中央层均制成圆环状,如图3所示安顿。在1℃、联结光阴45min、真空状况下举办联结,所施压力为20MPa。完毕发觉,二维碳/碳化硅复合材料与金属铌的联结在从联结高温降到室温流程中已产生摧残,金属铌环与二维编织碳/碳化硅复合材料环产生摆脱局面,而三维编织碳/碳化硅复合材料与金属铌环联结优良。这是由于,一方面,相对于三维碳/碳化硅复合材料,二维碳/碳化硅复合材料与金属铌的热膨胀系数差别更大,使得在接洽造成较大的剩余热应力,消沉了联结本能;另一方面,是由于二维碳/碳化硅复合材料纤维相对于联结面的笔直度不高,使得联结较弱。
将μm的纯铜箔和40μm的钛箔叠放在一同,插在32D的碳/碳化硅复合材料、金属铌之间,此中,铜箔与金属铌相联触。在真空度不低于×10-3Pa时,该工艺流程分为两个环节:
(1)温度升至℃,保温30min,施加6MPa的压力,首先实行金属铜与铌的固相分散联结;
(2)℃保温8～min,施加0.01～0.05Mpa的压力,在这个阶段,铜与钛造成了共晶合金。Cu-Ti合金在活性元素钛的效用下,潮湿铺展在碳/碳化硅复合材料表面,并渗入其内部,造成“钉扎效应”。富裕的铜与金属铌造成精细的界面层,由于其材质较软,也许起到淘汰剩余热应力的效用。℃保温60min,接洽的剪切强度抵达了MPa。
4 碳纤维复合材料与铝合金的联结
银基、铜基等活性钎料的钎焊温度,相对于铝合金的熔点较高,是以,采取以上的高温钎焊办法来联结就不符合了。HweKweon等人对碳纤维复合材料与铝合金-T62别离以胶接、螺栓联结以及混杂(胶接加螺栓联结)联结三种方法举办联结。他们发觉,在混杂联结实习中,当粘结剂是FM73时,接洽的强度重要由粘结剂的自己强度来决计;当粘结剂是EAS时,螺栓接洽的强度则起到重要决计效用。时常,当机器联结强度大于胶结时,它们的混杂联结强度要大于独自的机器螺栓联结;反之,它们的混杂联结强度要稍小于独自的机器螺栓联结。将3D碳纤维复合材料与铝合金-T3双缺口对接,接洽用高温环氧树脂粘结剂联结,在室温下固化24h。别离在室温下和℃对该接洽做双面剪实在习,完毕在室温前提下,其接洽抗剪切强度最高可达20MPa左右,且在复合材料上产生断裂;在℃下惟独MPa,并在接洽产生断裂。经热轮回实习后,热应力极地面减小了接洽抗剪强度,接洽乃至会在实习流程中当然断开。
5 碳纤维复合材料与此外金属的联结
碳/碳复合材料与镍在真空射频加热炉中,在肯定的温度和压力下,也也许联结在一同。此中,当碳纤维伸张方位与接洽的断面相笔直时,接洽的强度较
高;而当纤维与接洽断面相平行时,由于结晶各向异性致使接洽强度不睬想。接洽的屈从强度遭到加热温度、保温光阴以及所施加的压力等成分的效用,由于这些都影响到母材表面原子之间的分散与反响。
碳纤维复合材料也也许和不锈钢联结在一同,不过由于热膨胀系数不般配,需求在这两种材料之间增加中央层以减小热应力。
6碳碳复合材料与金属接洽的力学测试
在外空间、核反响堆等处境中,碳/碳复合材料与金属的接洽将面对顽劣的处事前提,如温差变动较大等。人们从靠得住性、平安性方面思考,在将这些接洽运用到实践处事时势以前,对其举办须要的相干力学本能测试。
6.1 抗拉强度测试
抗拉强度是掂量材料力学本能的重大参数,是指材料拉断前的最大应力值。当母材均为薄片刻,也许将碳/碳复合材料的两面别离与金属基板搭接(图4a,b),且载荷笔直于接洽截面;当金属管与复合材料基板联结时,也许将一根钢棒贯通在金属管中(图4c),金属管与钢棒精密抵牾并与载荷传感器相接,施加载荷的十字滑块的速率为1mm/min。
6.2攻击热应力测试
碳/碳复合材料与金属的联结机关在处事处境里很也许涌现赶紧的加热和冷却,这时其内部将造成很大的温差,进而引发很大的攻击热应力。对接洽的抗热攻击性△以及热攻击断裂强度μ的掂量,也许对其加热地区模子化(图5)。对于数值的筹划也许听命热传导公式：
此中:σt,k,E,α和Kic别离代表材料的抗拉强度、热导率、杨氏模量、热膨胀系数和材料实习断裂韧性值;S3代表特定的无穷纲热应力;FIe是开在试样顶部漏洞释放应力的影响因子,为无穷纲数;β是电弧放电的热灵验因子;R,h,a,c别离是试样的半径、厚度、加热地区的半径以及边际漏洞的长度。在热攻击实习中,电弧放电的光阴长度也许设定为0.7s。
6.3 热轮回测试
为了评价钎焊接洽的抗热劳累本能,需求举办热轮回测试。比如,对碳/碳复合材料与铝合金2T3胶结接洽的热轮回测试温度范畴为50～℃,一次热轮回包罗五个阶段:(1)50℃保温30s;(2)用s升温到℃;(3)℃保温60s;(4)用s降温到50℃;(5)50℃保温30s。图6为一个热轮回温度弧线,此中,虚线所示为实践温度弧线。
当然,相干实验准则所规章的试样形态与尺寸,也只是是对某一类实验的普遍请求,而接洽的力学考验办法的筛选也该当按照行使请求而定。比如,套管对接机关的接洽为了餍足实践工程需求,还需求举办气密强度、液压强度等测试。
（来历：汽车轻量化CFRP）
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