CN203619302U - 碳/碳复合材料与金属材料复合炊具 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种碳/碳复合材料与金属材料复合炊具，其特征是它包括碳/碳复合材料外层坯体、金属材料内层坯体及连接碳/碳复合材料外层坯体与金属材料内层坯体的连接层，所述的连接层为制备在碳/碳复合材料外层坯体表面的金属粒子层，所述的金属粒子层为碳/碳复合材料外层坯体经液相浸渍、煅烧还原步骤制备，本实用新型通过液相浸渍、煅烧还原在碳/碳复合材料表面制备金属连接层，改变了碳/碳复合材料表面的化学组成和微观几何结构，且附着的金属连接层与金属材料有较好的相容性，生产的碳/碳复合材料与金属材料复合炊具与现有的单一铁质或者其它多金属复合电磁加热炊具相比，具有加热快、热效率高、轻便、耐腐蚀、强度高等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种加热用炊具，具体地说是一种碳/碳复合材料与金属材料复合炊具。
背景技术
电磁炉是现代厨房革命的产物，它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。是一种高效节能厨具，完全区别于传统所有的有火或无火传导加热。由于电磁炉是由锅底直接感应磁场产生涡流来产生热量的，因此传统的电磁炉用炊具均用铸铁或者不锈钢制造，由于铁的密度较高（约为7.81g/cm3），且保温性能差，铁质炊具较重，也不利于食物长时间保温。
碳/碳复合材料具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，是最有发展前途的高温材料之一。同时，碳/碳复合材料也能通过电磁感应加热，且热效率很高，在各种工业用感应加热炉中常被用作发热体。
文献1：专利号为201020528356.X，申请日为2010.09.14，发明名称为一种电热炊具用内锅的专利公开了一种由碳/碳复合材料制备的内锅，具有良好的导热、保温和力学性能，而且降低了内锅的重量，使用寿命长。
但是，由于碳/碳复合材料不能直接与食物接触，应用时，需要在其表面制备涂层，目前的技术处理也较为困难，且碳/碳复合材料成本也很高。因此，人们需要制备碳/碳复合材料与金属材料的复合炊具。
然而，碳/碳复合材料与金属在晶体结构、物理化学特性等方面有较大差异，碳/碳复合材料与大多数金属的润湿角大于90°，无法直接连接。这就需要在碳/碳复合材料与金属两材料间添加第三种材料，制备连接层，从而实现碳/碳复合材料与金属的连接。
文献2：“Cu-Cr合金熔覆表面改性碳/碳复合材料，矿冶工程，2007(06)：P58～P60”，采用Cu-Cr二元合金为原料，在真空加热装置中，温度为1200～1600℃，真空度小于10 Pa条件下，对碳/碳复合材料实施表面熔覆处理。结果表明，熔覆促使合金中的Cr元素富集于碳/碳复合材料表面，并与C元素原位反应生成Cr3C2；该反应物呈层状连续分布于碳/碳复合材料表面，在碳/碳复合材料与金属之间起界面过渡作用，有助于改进两者间的连接性。
文献3：“Direct joining of CFC to copper. Journal of Nuclear Materials，2004. 329-333，Part B(0):P1563～P1566”中提到通过在碳/碳复合材料表面涂刷一层Mo-Cr合金粉末料浆，在1000℃以上的真空炉中制得了厚度为5～10μm的合金涂层，进而可以将碳/碳复合材料直接与Cu进行连接。
文献2、文献3公开的两种方法通过高温、低压形成的金属连接层，都存在金属层厚度难以控制以及不均匀的问题，同时金属在凝固过程中分布不均匀，会生成许多枝晶、孪晶和其它的晶体缺陷，导致连接件的力学性能不高。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种碳/碳复合材料与金属材料复合炊具。
本实用新型是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种碳/碳复合材料与金属材料复合炊具，它包括碳/碳复合材料外层坯体、金属材料内层坯体及连接碳/碳复合材料外层坯体与金属材料内层坯体的连接层，所述的连接层为制备在碳/碳复合材料外层坯体表面的金属粒子层，所述的金属粒子层为碳/碳复合材料外层坯体经液相浸渍、煅烧还原步骤制备。
本实用新型所述金属粒子层的厚度为0.01μm～100μm。
本实用新型所述的金属材料内层坯体由合金或铜或铝或铁中的一种材料制备。
本实用新型所述复合炊具的碳/碳复合材料外层坯体、金属材料内层坯体界面的剪切强度为10MPa～50MPa。
由于采用上述技术方案，本实用新型较好的实现了发明目的，通过在碳/碳复合材料表面制备金属连接层，改变了碳/碳复合材料表面的化学组成和微观几何结构，且附着的金属连接层与金属材料有较好的润湿性，提高了碳/碳复合材料与金属材料连接的强度；生产的碳/碳复合材料与金属材料复合炊具与现有的单一铁质或者其它多金属复合电磁加热炊具相比，具有加热快、热效率高、轻便、耐腐蚀、强度高等优点。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的结构示意图；
图2是图1的A处放大示意图；
图3是本实用新型实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例1：
由图1、图2可知，一种碳/碳复合材料与金属材料复合炊具，它包括碳/碳复合材料外层坯体2、金属材料内层坯体3及连接碳/碳复合材料外层坯体与金属材料内层坯体的连接层4，所述的连接层4为制备在碳/碳复合材料外层坯体2表面的金属粒子层，所述的金属粒子层为碳/碳复合材料外层坯体2经液相浸渍、煅烧还原步骤制备。
本实用新型所述金属粒子层的厚度为0.01μm～100μm。本实施例为30μm。
本实用新型所述的金属材料内层坯体3由合金或铜或铝或铁中的一种材料制备。本实施例为金属铜。
本实用新型所述复合炊具的碳/碳复合材料外层坯体2、金属材料内层坯体3界面的剪切强度为剪切强度为10MPa～50MPa。本实施例为30MPa。
本实施例为碳/碳复合材料外层坯体2与金属铜的复合内锅或者汤锅。手柄1安装在碳/碳复合材料外层坯体2上。
其制备方法为制坯：将碳/碳复合材料坯体机加工成所需形状的碳/碳复合材料外层坯体2，洗涤、烘干后备用；
本实用新型所述碳/碳复合材料坯体可通过模压或者化学气相沉积或者液相浸渍方法中的一种或者组合制备。本实施例将碳纤维按所需结构和形状先制成碳纤维基层预制体，再经化学气相沉增密后制得。
为去除碳/碳复合材料外层坯体2中杂质，本实用新型在洗涤、烘干前，将制得的碳/碳复合材料外层坯体2放入高温炉中进行纯化处理，在真空或保护气氛条件下加热去除其中杂质，纯化温度为1800℃～2500℃，保温时间为2h～6h。本实施例纯化温度为2200℃，保温时间为2h。
浸渍：将上步制得的碳/碳复合材料外层坯体2放入装有含有至少一种金属离子的醇水溶液的容器中浸渍1h～50h，然后将溶液升温到80℃～150℃，保温1h～10h，冷却至室温后，将碳/碳复合材料外层坯体2从容器中取出常温***干，即在碳/碳复合材料外层坯体2表面制备金属盐涂层；
本实用新型所述含有至少一种金属离子的醇水溶液的配制方法为将至少一种金属盐溶于水中，无水乙醇的体积占溶液总体积的5﹪～30﹪，尿素水溶液占溶液总体积的5﹪～20﹪，水、无水乙醇和尿素水溶液的体积百分比之和为100﹪，溶液中加入0.5mol/L～3mol/L的尿素水溶液与无水乙醇，配制成金属离子总浓度为0.05mol/L～5mol/L的水溶液。
本实用新型所述的金属盐为易溶于水的硝酸盐或硫酸盐或氯化盐中的一种或组合。
本实用新型所述的金属离子为铜离子或铝离子或铁离子或镍离子或镧离子或铬离子中的一种或组合。
本实施例所述的金属盐为硫酸铜和硝酸铬，制备醇水溶液时，无水乙醇的体积占溶液总体积的20﹪，尿素水溶液占溶液总体积的10﹪，水、无水乙醇和尿素水溶液的体积百分比之和为100﹪，溶液中加入2mol/L的尿素水溶液与无水乙醇，配制成金属离子总浓度为2mol/L的水溶液。其中，溶液中铜离子与铬离子原子个数比为15：3。
浸渍时，将碳/碳复合材料外层坯体2放入装有所制备的醇水溶液的容器中浸渍24h，然后将溶液升温到125℃，保温3h，冷却至室温后，将碳/碳复合材料外层坯体2从容器中取出常温***干，即在碳/碳复合材料外层坯体2表面制备有包括硫酸铜和硝酸铬的涂层。
本实用新型还可采用喷涂方法在碳/碳复合材料外层坯体2表面制备金属盐涂层。
连接层制备：将上步制得的碳/碳复合材料外层坯体2放入还原炉中，在300℃～1200℃下，通入氢气进行煅烧还原，还原时间为1h～50h，之后冷却至常温，制得表面有金属粒子层的碳/碳复合材料外层坯体2；
本实用新型所述金属粒子层的厚度为0.01μm～100μm。
本实施例将制得的碳/碳复合材料外层坯体2放入还原炉中，在900℃下，通入氢气进行煅烧还原，还原时间为3h，之后冷却至常温，制得表面包括有铜粒子、铬粒子的金属粒子层的碳/碳复合材料外层坯体2；所述金属粒子层的厚度为30μm。
金属材料内层坯体制备：将金属材料按所需结构和形状制成金属材料内层坯体3，厚度为0.1㎜～5㎜，对金属材料内层坯体3的连接面进行磨砂处理；
本实用新型所述的金属材料内层坯体3由合金或铜或铝或铁中的一种材料制备。
本实施例所述的金属材料内层坯体3由金属铜材料制备。
复合处理：将上步制得的碳/碳复合材料外层坯体2和制得的金属材料内层坯体3过盈配合成一体，过盈量为0.02㎜～0.15㎜，且碳/碳复合材料外层坯体2上的金属粒子层与金属材料内层坯体3的连接面相邻，然后将其放入真空炉中，加热至500℃～2200℃，在0.01MPa～10 MPa压力下，保持10min～500min，使碳/碳复合材料外层坯体2上的金属粒子层与金属材料内层坯体3的连接面形成冶金结合，即制得碳/碳复合材料与金属材料复合炊具。
本实施例将制得的碳/碳复合材料外层坯体2和制得的金属铜材料内层坯体过盈配合成一体，过盈量为0.05㎜，然后将其放入真空炉中，加热至1300℃，在0.05MPa压力下，保持30min，使碳/碳复合材料外层坯体2上包括有铜粒子和铬粒子的金属粒子层与金属材料内层坯体3的连接面形成冶金结合，即制得碳/碳复合材料与金属铜材料的复合炊具。
实施例2：
在浸渍中，金属盐为硝酸铝和硝酸铬，醇水溶液中铝离子与铬离子原子个数比为15：4，碳/碳复合材料外层坯体2表面制备有硝酸铝和硝酸铬的涂层。在连接层制备中，制得表面有铝粒子、铬粒子的金属粒子层的碳/碳复合材料外层坯体2，所述金属粒子层的厚度为28μm。所述的金属材料内层坯体3由金属铝材料制备。
制得碳/碳复合材料与金属铝材料的复合炊具，本实施例为汤锅。
经试验，本实施例碳/碳复合材料基层坯体2、金属铝材料基层坯体界面的剪切强度为30MPa。
余同实施例1。
实施例3：
在浸渍中，金属盐为硝酸镍和硫酸铜，醇水溶液中镍离子与铜离子原子个数比为15：2，碳/碳复合材料外层坯体2表面制备有硝酸镍和硫酸铜的涂层。在连接层制备中，将制得的碳/碳复合材料外层坯体2放入还原炉中，在1100℃下，通入氢气进行煅烧还原，还原时间为3h，之后冷却至常温，制得表面包括有镍粒子、铜粒子的金属粒子层的碳/碳复合材料外层坯体2；所述金属粒子层的厚度为50μm。所述的金属材料内层坯体3由金属铁材料制备。在复合处理中，将制得的碳/碳复合材料外层坯体2和制得的金属材料内层坯体3过盈配合成一体，过盈量为0.1㎜，然后将其放入真空炉中，加热至1400℃，在0.05MPa压力下，保持30min，使碳/碳复合材料外层坯体2上包括有镍粒子和铜粒子的金属粒子层与金属材料内层坯体3的连接面形成冶金结合，即制得碳/碳复合材料与金属铁材料的复合炊具，由图3可知，本实施例为炒锅。
经试验，本实施例碳/碳复合材料外层坯体2、金属铁材料外层坯体界面的剪切强度为25MPa。
余同实施例1。
实施例4：
在浸渍中，金属盐为硝酸镍、硝酸镧和硝酸铝，镍离子、镧离子和铝离子原子个数比为15：3：2，碳/碳复合材料外层坯体2表面制备有硝酸镍、硝酸镧和硝酸铝的涂层。在连接层制备中，制得表面包括有镍粒子、镧粒子和铝粒子的金属粒子层的碳/碳复合材料外层坯体2，金属粒子层的厚度为35μm；所述的金属材料内层坯体3由不锈钢材料制备。复合处理中同实施例3。
制得碳/碳复合材料与金属不锈钢材料的复合炊具，本实施例可为炒锅或汤锅。
经试验，本实施例碳/碳复合材料外层坯体2、金属不锈钢材料内层坯体界面的剪切强度为20MPa。
余同实施例1。
Claims (4)
1.一种碳/碳复合材料与金属材料复合炊具，其特征是它包括碳/碳复合材料外层坯体、金属材料内层坯体及连接碳/碳复合材料外层坯体与金属材料内层坯体的连接层，所述的连接层为制备在碳/碳复合材料外层坯体表面的金属粒子层，所述的金属粒子层为碳/碳复合材料外层坯体经液相浸渍、煅烧还原步骤制备。
2.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料与金属材料复合炊具，其特征是所述金属粒子层的厚度为0.01μm～100μm。
3.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料与金属材料复合炊具，其特征是所述的金属材料内层坯体由合金或铜或铝或铁中的一种材料制备。
4.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料与金属材料复合炊具，其特征是所述复合炊具的碳/碳复合材料外层坯体、金属材料内层坯体界面的剪切强度为10MPa～50MPa。
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