碳纤维复合材料与金属连接及接头力学性能测试

       碳纤维复合材料（包括碳／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增强相，以碳化硅、石墨化的树脂或用化学沉积的碳作为基体的复合材料。这种复合材料具有散热快、温度上升慢的特点，加上它耐高温、质量轻、抗腐蚀、较低的线膨胀系数、尺寸稳定、抗热振和抗烧蚀等有点，因此，特别适合于制造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。尤其是最近波音公司推出的新一代787客机，大量采用新型碳纤维复合材料，机身重量减轻，耗油量减少，整体机身的强度却得到明显加强。此外，由于其特别低的中子激活能、低的原子序数以及很高的熔点和升华温度，因此还特别适合于制造核聚变反应堆中的部件。

       在外太空探测器和热核反应堆中，碳纤维复合材料因强度高、质量轻、导热性能出众而在热控制系统中得以应用，这使它与其它金属的连接结构成为人们的必然考虑。由于碳或碳化物的熔点很高，因此不能用熔化焊的方法来进行焊接，只能采用钎焊或扩散焊等特殊办法；碳纤维复合材料的线膨胀系数低于大多数金属材料，接头极易在热应力作用下产生裂纹或断裂；碳纤维复合材料加热过程中会释放出大量的气体，严重影响焊接工艺过程和接头质量，导致接头中产生大量气孔和裂纹。

       由于碳纤维复合材料属于非金属材料，钎焊非常困难，一般采用预先在碳纤维复合材料上采用镀敷、烧结、沉积等方法在表面上处理上一层金属粉末，然后再进行常规的钎焊。还有一种方法是根据Ti，Zr等金属具有较大的活性，能够与非金属在高温条件下发生反应，来实施的钎焊方法，称为活性金属方法，活性金属法钎焊有三种方式：(1)将钛或锆以垫片方式直接放在碳纤维复合材料间进行钎焊；(2)将钛或锆的细粉或钛或锆的氢化物，预先涂在待连接面上，再放上钎料进行钎焊；(3)用含钛和锆的活性钎料直接进行钎焊。含钛的钎料都比较脆，难以加工成形，常常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。含钛的钎料还常常制成粉末状使用。活性金属法的缺点是，钎焊时对真空度和保护气氛的纯度要求很高。钎焊真空度应不低于10-3 Pa。

       碳纤维复合材料由于制备周期长、工艺复杂、成本高等因素，应用范围仅限于军事、高科技等领域，其与铜、钛等金属的连接技术研究也仅仅局限在国内外部分科研单位。目前，关于这方面的资料尚不多见。本工作就该领域近些年来所取得的最新研究进展，作了系统总结介绍。

1  碳纤维复合材料与铜的连接

       热控制系统在航天领域和核工业工程中有着重要的应用，它的设计和制造经常要用到碳或碳纤维复合材料与铜之间的连接。这是因为，碳纤维复合材料与铜的连接结构不但具备良好的导热性能，而且，相对于单纯的铜结构来说，大大降低了结构重量；此外，由于两种材料导热系数相近，在钎焊和使用过程中，不会导致较大热应力的产生。

       其中，碳／碳复合材料与铜主要采用钎焊进行焊接，50%（质量分数）Cu- Pb最早被用来作为钎料[21，在710°C钎焊冷却后，钎料与复合材料、铜形成连续的连接界面，但是强度不是很高。后来，人们发现，Ti，Zr等过渡元素，具有很强的化学活泼性，在液态时能与碳元素发生反应。添加少许的活性元素制成的活性钎料，可以直接润湿碳／碳复合材料的表面并完成与其它金属的连接。活性金属钎料法钎焊需要在真空炉或高纯度惰性气氛中进行，通常一次即可完成钎焊连接。

       近年来，银基、铜基活性钎料已经开始商业生产，并应用在碳／碳复合材料或陶瓷基复合材料与铜的连接上，见表1。比如，  Cu-ABA  (92.  8Cu-3 Si-2Al-2. 25 Ti)已经用来钎焊碳／碳复合材料与无氧铜。钎焊前，首先用超声波清洗材料约十分钟，将0. Imm或0. 2mm厚的钎料箔放入试样中间，在试样顶部向下施加6 X10-3 MPa的压力，以450°C/h的速度加热，在970°C和980°C保温0.1h，钎焊温度约为1030℃，真空度不低于2 X10-3 Pa，快速冷却到900℃，其后冷却速度降为180°C/h。碳／碳复合材料与铜可以形成很好的冶金结合，无任何气子L和微裂纹。

       利用15Cu-1 SNi- 70 Ti.68.  8A g-26.  7Cu-4.5 Ti.63Ag-34.  3Cu-1 Sn-1.75 Ti．也可以获得碳／碳复合材料与Cu的良好界面‘4]。其中，Ag- Cu- Ti是一种活性钎料，在真空下进行钎焊，钎焊温度选在820℃左右，可以获得较高强度的接头；但由于在核辐射下Ag会转变成Cd，使接头性能下降，因此含Ag的这种接头不能用在核聚变装置中。用Ti作钎料可解决该问题。Ti作钎料钎焊铜和碳／碳复合材料时，可采用共晶扩散工艺，通常在真空下进行，典型焊接参数为：T=1000°C．t=300s，最好在试样上加一定的压力。研究表明，在同样的焊接条件下，直接在碳／碳复合材料与铜之间插入Ti箔进行扩散钎焊时，接头强度较低；对碳／碳复合材料表面进行预镀处理后，接头强度较高；而采用预涂Cu- Ti膏后，接头强度最高。

       用49 Ti-49Cu-2Be[5]钎料连接低密度的碳／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1600°C高温的真空或氩气保护环境里使有机材料发生碳化，提高复合材料表面碳层的密度，防止钎料熔化后渗入；然后将钎料以焊膏的形式涂在复合材料的表面，在真空条件下加热至980°C，保温5 min，所得接头强度远远高于母材强度。值得指出的是，这种钎料还适合连接低密度的碳／碳复合材料与钢或者陶瓷。

       ITER分流装置中的热管为了具备高强度和高导热性，通常是由最外层碳／碳复合材料包覆着铜合金。Pietro．Appendino通过对碳／碳复合材料表面改性，直接将铜浇铸在表面。他认为，选用的VIB元素(如Mo，W，Cr)很容易与碳生成碳化物，而这些类似金属的碳化物易于被熔化的铜所润湿；各元素对复合材料  表面改性后，铜的润湿效果也不同。

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