CN102009239A - 一种用于碳基材料及其制品的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于碳基材料及其制品(包括C/C复合材料、石墨以及C/C飞机刹车盘等)的连接方法，主要用于形状复杂或体积大的C/C复合材料零部件的制备和修复，形状复杂或体积大的石墨零部件的制备和修复，以及C/C飞机刹车盘的修复。所述的连接方法是将Co-Zr焊料压坯放置在两个碳基材料或C/C飞机刹车盘连接面之间进行连接，通过碳基材料以及C/C飞机刹车盘的预处理；焊料的配制；将焊料压坯放置于预处理后的碳基材料或C/C飞机刹车盘材料的连接端面上，施压、加热，最后随炉冷却至室温，取出，碳基材料或C/C飞机刹车盘的连接完成。本发明提供的连接方法工艺简单，安全可靠，连接强度高，成本低廉，不管是用于零部件的制备还是修复，经济效益均十分可观。

Description

一种用于碳基材料及其制品的连接方法

技术领域

本发明属于碳基材料技术领域，涉及碳/碳复合材料(即碳纤维增强碳复合材料，用C/C表示)、石墨以及C/C飞机刹车盘的连接方法，具体地说，是指一种用于制备和修复C/C复合材料零部件、石墨零部件以及C/C飞机刹车盘的一种有效连接方法。

背景技术

C/C复合材料具有高比强度、高比刚度、优异的抗烧蚀性能和摩擦性能、良好的抗热震性能、低蠕变和高温下强度保持率高等特点，在航空航天工业中应用广泛。石墨材料，特别是高强石墨具有质轻、高比强度、耐热、耐腐蚀、导电导热性能良好以及抗热震性能优良等特性，在航空航天工业以及核工业中应用广泛。

目前用于C/C复合材料以及石墨材料的连接技术有机械连接、钎焊法、扩散连接法以及采用高分子材料作为连接剂的反应成形连接法等。

(1)机械连接

机械连接主要采用难熔金属或碳/碳复合材料本身制成的螺栓进行固定，但这种接头的抗剪和抗压强度较差，特别是在螺栓或铆钉孔周围应力集中的地方。

(2)钎焊法

该连接法是用于连接C/C复合材料以及石墨材料的比较成熟的方法。所采用的焊料有Ag-Cu-Ti、Al、Mg₂Si及玻璃等。采用Ag-Cu-Ti和Al焊料时，接头工作温度不高，一般在500℃以下。无法满足航空航天工业中接头高温应用的需求。采用Mg₂Si焊料在氩气中、温度为1693K、保温时间为45min的工艺条件下钎焊三维C/C复合材料时，接头抗剪强度较低，约为5MPa。而采用玻璃焊料钎焊C/C复合材料的界面结合很差。采用Ti-Cr等焊料高温钎焊石墨，接头强度不高。

(3)扩散连接法

固态扩散连接法通过对受焊母材同时加热和加压，使其在连接处发生微量塑性变形，形成紧密接触，进而发生原子扩散实现连接，一般分直接扩散连接法和间接扩散连接法。对于C/C复合材料的固态扩散连接，连接压力会对复合材料的纤维及纤维与基体间的界面结合造成损伤。另外，扩散连接过程需要在高温状态施加较高的压力，因而工艺复杂、工艺周期长，设备成本和工艺成本都较高。

(4)采用高分子材料作为连接剂的反应成形连接法

该连接法主要采用有机树脂和粉末添加剂等为原料，经低温固化和高温处理等工序来连接C/C复合材料以及石墨材料。这种连接法工艺简单、成本低廉，具有一定的优势。但是，由于高分子材料在交联和裂解过程中会产生气体，导致连接层多孔，使连接强度偏低，另外这种方法也容易造成环境污染，因而使其工程应用受到限制。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种用于碳基材料及其制品的连接方法，所述的碳基材料包括C/C复合材料和石墨，所述的碳基材料制品包括C/C飞机刹车盘，所述的连接方法可以用于同种或者异种的碳基材料之间的连接，也可以用于同种或者异种的碳基材料制品如C/C飞机刹车盘之间的修复连接，该连接方法采用Co-Zr焊料连接C/C复合材料、石墨以及C/C飞机刹车盘。

本发明的用于碳基材料及其制品的连接方法，是将Co-Zr焊料置于C/C复合材料、石墨或C/C飞机刹车盘连接端面之间进行连接，连接工艺为：

(A)连接表面的预处理；

将C/C复合材料、石墨以及C/C飞机刹车盘的连接端面进行打磨和抛光，用超声波清洗15～30min，然后烘干，待用；

(B)焊料的配制；

选取粒径为5～90μm的微米级的Co粉和Zr粉，将Co粉与Zr粉混合，其中Zr粉的质量百分含量为2％～8％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合20～30min。为避免由于粉料密度不同出现的分层现象，混合过程中应随时搅动。混合粉末干燥后再倒入研钵研磨20～30min，以确保粉末混合均匀。然后称取一定量的焊料，在压片机上冷压成形得到焊料压坯。

(C)连接工艺；

将上述(B)制得的焊料压坯放置于经(A)处理后的C/C复合材料、石墨或C/C飞机刹车盘的连接端面上，或者将混合粉末直接布粉在大型零部件以及刹车盘的连接端面上；然后将两连接端面叠加后放入真空炉中，施加5～20kPa的压力，加热过程为：首先以15～20℃/min速率升温至800～1000℃，然后以6～12℃/min速率升温至1200～1450℃，保温3～10min，然后随炉冷却至室温，取出。碳基材料及其制品的连接完成。

经上述方法连接后得到的焊料层均匀致密，与母材形成了良好的冶金结合和机械咬合。

所述的界面处主要由Co、C和ZrC组成。

所述的碳基材料及其制品的连接方法可用于制备形状复杂的C/C零部件以及大型的C/C零部件，也可用于制备形状复杂的石墨零部件以及大型的石墨零部件。

所述的碳基材料及其制品的连接方法可用于C/C零部件的修复，也可用于石墨零部件的修复。

所述的碳基材料及其制品的连接方法可用于C/C飞机刹车盘的修复，包括“二合一”(即两块已经磨薄的刹车盘连接成一块)以及“三合一”(即三块已经磨薄的刹车盘连接成一块)等。

本发明的用于碳基材料及其制品的有效连接方法的优点是：

(1)本发明所得到的接头强度高，最低可达到母材强度的87.8％，且适合高温应用。

(2)该连接方法具有操作简单，连接压力小等特点，这一方面避免了较高连接压力对复合材料的纤维及纤维与基体间的界面结合的损伤；另一方面，连接所需的设备简单，易于实施，工艺成本低。

(3)该连接方法所采用的焊料粉体材料，均有市售商品，该方法连接成本低。

附图说明

图1是C/C复合材料与焊料压坯的叠加示意图；

图2a是采用Co-Zr焊料连接C/C复合材料的连接件界面区域的显微形貌；

图2b是沿着图2a中的直线进行EDS线分析的图谱；

图3是采用Co-Zr焊料连接C/C复合材料的连接件界面区域的XRD图谱；

图4a是采用Co-Zr焊料连接石墨材料的连接件界面区域的显微形貌；

图4b是沿着图4a中的直线进行EDS线分析的图谱；

图5是采用Co-Zr焊料连接石墨材料的连接件界面区域的XRD图谱。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。

本发明为一种用于碳基材料及其制品C/C飞机刹车盘的连接方法，是将Co-Zr焊料置于两块C/C复合材料的连接端面之间，或两块石墨材料的连接端面之间，或两块C/C飞机刹车盘的连接端面之间进行连接，实现两块C/C复合材料的连接，或两块石墨材料的连接，或两块C/C飞机刹车盘的连接，连接工艺如下：

(A)碳基材料及其制品的连接端面的预处理；

将碳基材料及其制品的连接端面进行打磨和抛光，用超声波清洗15～30min，然后烘干，待用；

(B)焊料的配制；

选取粒径为微米级的Co粉和Zr粉，将Co粉与Zr粉混合，其中Zr粉的质量百分含量为2％～8％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合20～30min。为避免由于粉料密度不同出现的分层现象，混合过程中应随时搅动。混合粉末干燥后再倒入研钵研磨20～30min，以确保粉末混合均匀。然后称取一部分焊料，在压片机上冷压成形得到焊料压坯。所述的Co粉和Zr粉的粒径均为5～90μm。

(C)连接工艺；

将上述(B)制得的焊料压坯放置于经(A)处理后的连接端面上，或者将混合粉末直接布粉在连接端面上，然后将需要连接的两个连接端面叠加后放入真空炉中，施加5～20kPa的压力，加热过程为：首先以15～20℃/min速率升温至800～1000℃，然后以6～12℃/min速率升温至1200～1450℃，保温3～10min，然后随炉冷却至室温，取出。碳基材料或者其制品的连接完成。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明，实施例仅用于说明本发明的连接工艺可行，不用于限制本发明保护的权利范围。

实施例1应用本发明提供的方法连接C/C复合材料。

在形状复杂的C/C复合材料部件的制备过程中，由于C/C复合材料制备工艺复杂，成本高，所以采用一次成形的方法制备形状复杂的C/C复合材料部件较为困难，因此需要将形状简单的C/C复合材料进行连接，组成形状复杂的C/C复合材料部件，具体的C/C复合材料的连接工艺如下：

(A)C/C复合材料的预处理；

将C/C复合材料的连接端面进行打磨和抛光，用超声波清洗30min，然后烘干，待用；

(B)焊料的配制；

选取粒径为5μm的Co粉和Zr粉，将Co粉与Zr粉混合，其中Zr粉的质量百分含量为2％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合30min。为避免由于粉料密度不同出现的分层现象，混合过程中应随时搅动。混合粉末干燥后再倒入研钵研磨20min，以确保粉末混合均匀。然后称取焊料，在压片机上冷压成形得到焊料压坯。

(C)连接工艺；

将上述(B)制得的焊料压坯放置于经(A)处理后的C/C复合材料的连接端面上，然后将需要连接的两个连接端面叠加，如图1所示，叠加后放入真空炉中，施加20kPa的压力，加热过程为：首先以15℃/min速率升温至800℃，然后以12℃/min速率升温至1200℃，保温3min，然后随炉冷却至室温，取出。C/C复合材料的连接完成。

实施例2应用本发明提供的连接方法修复C/C飞机刹车盘

C/C飞机刹车盘经过多次起降使用以后，刹车盘厚度已不能满足刹车结构的要求，需要把两个或三个已经磨薄的刹车盘连接起来(分别称为“二合一”和“三合一”)再次投入使用。由于C/C飞机刹车盘的制备工艺复杂，成本高，价格昂贵，所以这种修复技术的经济效益十分可观。所述的刹车盘通过如下方法实现连接：

(A)刹车盘的预处理；

将C/C刹车盘的连接端面进行打磨和抛光，用超声波清洗30min，然后烘干，待用；

(B)焊料的配制；

选取粒径为80μm的Co粉和Zr粉，将Co粉与Zr粉混合，其中Zr粉的质量百分含量为8％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合20min。为避免由于粉料密度不同出现的分层现象，混合过程中应随时搅动。混合粉末干燥后再倒入研钵研磨30min，以确保粉末混合均匀。

(C)连接工艺；

将上述(B)制得的混合粉末以直接布粉的方式布置在经(A)处理后的C/C飞机刹车盘的连接端面上，然后将两连接端面叠加后放入真空炉中，施加20kPa的压力，加热过程为：首先以20℃/min速率升温至1000℃，然后以6℃/min速率升温至1450℃，保温10min，然后随炉冷却至室温，取出。C/C飞机刹车盘的连接完成。

通过实施例1和实施例2得到，Co-Zr焊料在连接过程中能形成性能良好的焊料层，焊料与母材发生界面扩散和界面反应，可获得连接强度较高的连接件。连接件抗剪强度最大值达到17.0MPa，为C/C复合材料母材强度的92.4％。微观结构及成分分析显示，在C/C复合材料与焊料的界面处，母材与焊料中的元素发生了互扩散，在界面处形成了良好的冶金结合和机械咬合，焊料层均匀致密。焊料中的活性元素Zr与C/C复合材料发生了化学反应，生成了ZrC。

附图2是采用Co-Zr焊料连接C/C复合材料的连接件界面区域的SEM扫描照片和EDS线分析图谱。从该扫描照片可以看出，焊料和C/C复合材料形成了良好的界面结合，焊料层均匀致密。根据EDS线分析图谱可以看出，C/C复合材料中的C元素与焊料中的Co、Zr元素发生了互扩散。

附图3为采用Co-Zr焊料连接C/C复合材料的连接件界面区域的XRD图谱。从该图谱可以看出，界面区域主要由C、Co和ZrC组成。其中，C和Co分别来自母材和焊料。该图显示，在连接过程中，在界面处作为强碳化物形成元素且活性很高的Zr与C/C复合材料中的C发生了界面反应生成了ZrC。由于焊料本身的Zr含量较低，因此界面反应产物ZrC的量较少，在界面区域存在的物相中所占质量百分数较低，图谱中其衍射峰强度较弱。

实施例3应用本发明提供的连接方法连接石墨材料

在形状或结构复杂的石墨部件的制备过程中，由于石墨的脆性，采用一次成形的方法制备形状或结构复杂的石墨部件较为困难，因此需要将形状简单的石墨材料进行连接组成形状或结构复杂的石墨零部件，具体连接方法如下：

(A)石墨的预处理；

将石墨的连接端面进行打磨和抛光，用超声波清洗15min，然后烘干，待用；

(B)焊料的配制

选取粒径为90μm的Co粉和Zr粉，将Co粉与Zr粉混合，其中Zr粉的质量百分含量为8％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合20min。为避免由于粉料密度不同出现的分层现象，混合过程中应随时搅动。混合粉末干燥后再倒入研钵研磨30min，以确保粉末混合均匀。然后称取上述的混合粉末，在压片机上冷压成形得到焊料压坯。

(C)连接工艺；

将上述步骤(B)制得的焊料压坯放置于经步骤(A)处理后的石墨的连接端面上，然后将需要连接的两个连接端面叠加后放入真空炉中，施加5kPa的压力，加热过程为：首先以20℃/min速率升温至800℃，然后以12℃/min速率升温至1450℃，保温10min，然后随炉冷却至室温，取出，石墨的连接完成。

通过实施例3得到，Co-Zr焊料在连接过程中能形成性能良好的焊料层，焊料与石墨母材发生界面扩散和界面反应，可获得连接强度较高的连接件。连接件强度最大值为石墨母材强度的87.8％。微观结构及成分分析显示，在石墨与焊料的界面处，石墨母材与焊料中的元素发生了互扩散，在界面处形成了良好的冶金结合和机械咬合，焊料层均匀致密。焊料中的活性元素Zr与石墨发生了化学反应，生成了ZrC。

附图4a、4b是采用Co-Zr焊料连接石墨的连接件界面区域的SEM扫描照片和EDS线分析图谱。从该扫描照片可以看出，焊料和石墨形成了良好的界面结合，焊料层均匀致密。根据EDS线分析图谱可以看出，石墨母材中的C元素与焊料中的Co、Zr元素发生了互扩散。

附图5为采用Co-Zr焊料连接石墨的连接件界面区域的XRD图谱。从该图谱可以看出，界面区域主要由C、Co和ZrC组成。其中，C和Co分别来自母材和焊料。该图显示，在连接过程中，在界面处作为强碳化物形成元素且活性很高的Zr与石墨发生了界面反应生成了ZrC。由于焊料本身的Zr含量较低，因此界面反应产物ZrC的量较少，在界面区域存在的物相中所占质量百分数较低，图谱中其衍射峰强度较弱。

根据以上试验结果可以看出，在连接过程中，在碳基材料与焊料的界面处，母材与焊料中的元素发生了互扩散，在界面处形成了良好的冶金结合和机械咬合，焊料层均匀致密。焊料中的活性元素Zr与碳基材料发生了界面反应，生成了ZrC，促进界面键合，因此获得了较高的连接强度。

Claims (7)

1.一种用于碳基材料及其制品的连接方法，其特征在于：所述的连接方法适用于同种或者异种的碳基材料之间的连接，也适用于同种或者异种的碳基材料制品之间的连接，具体通过如下连接工艺实现：

(A)连接表面预处理；

将碳基材料，或者碳基材料制品的连接端面进行打磨和抛光，用超声波清洗15～30min，然后烘干，待用；

(B)焊料的配制，

选取粒径为微米级的Co粉和Zr粉，将Co粉与Zr粉混合，其中Zr粉的质量百分含量为2％～8％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合20～30min，混合过程中随时搅动；混合粉末干燥后再倒入研钵研磨20～30min，以确保粉末混合均匀；

(C)连接工艺，

将上述(B)制得的混合粉末在压片机上冷压成形得到焊料压坯，将焊料压坯放置于经(A)处理后的连接端面上；或者将混合粉末直接布粉在连接端面上；然后将两连接端面叠加后放入真空炉中，施加5～20kPa的压力，加热过程为：首先以15～20℃/min速率升温至800～1000℃，然后以6～12℃/min速率升温至1200～1450℃，保温3～10min，然后随炉冷却至室温，取出，碳基材料或者碳基材料制品的连接完成。

2.根据权利要求1所述的用于碳基材料及其制品的连接方法，其特征在于：所述的焊料中，选取的Co粉和Zr粉的粒径均为5～90μm。

3.根据权利要求1所述的用于碳基材料及其制品的连接方法，其特征在于：所述的焊料层均匀致密，与母材形成了良好的冶金结合和机械咬合。

4.根据权利要求1所述的用于碳基材料及其制品的连接方法，其特征在于：在连接界面处主要由Co、C和ZrC组成。

5.根据权利要求1所述的用于碳基材料及其制品的连接方法，其特征在于：用于制备和修复C/C复合材料零部件。

6.根据权利要求1所述的用于碳基材料及其制品的连接方法，其特征在于：用于制备和修复石墨材料零部件。

7.根据权利要求1所述的用于碳基材料及其制品的连接方法，其特征在于：用于修复C/C飞机刹车盘，包括两块已经磨薄的刹车盘连接成一块以及三块已经磨薄的刹车盘连接成一块。

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