專利名稱：一種連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料與金屬的方法。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比剛度、軸向拉伸強(qiáng)度和耐磨性，優(yōu)異的耐高溫性能和低的熱膨脹系數(shù)，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、抗疲勞性，以及在潮濕或輻射環(huán)境下良好的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，是一種理想的輕質(zhì)高強(qiáng)材料。碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料密度小于鋁合金， 模量卻比鋁合金高2 4倍，在250°C時其抗拉強(qiáng)度仍能保持室溫抗拉強(qiáng)度的81%，其疲勞強(qiáng)度比鋁合金高38%。制成的構(gòu)件具有質(zhì)量輕、剛性好、較小的壁厚、較高的穩(wěn)定性，可大大提高設(shè)備容量和裝載能力。用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成的衛(wèi)星拋物面天線骨架，熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好，可在較大溫度范圍內(nèi)保持其尺寸穩(wěn)定，使衛(wèi)星拋物面天線的增益效率提高4倍。DWA公司用石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為NASA和Lockheed公司制造衛(wèi)星上的波導(dǎo)管。用這種材料制成的波導(dǎo)管不但軸向剛度高、膨脹系數(shù)低、導(dǎo)電性能好，而且比原用石墨/環(huán)氧一鋁層復(fù)合制成的波導(dǎo)管輕30%。隨著C/A1復(fù)合材料工程化應(yīng)用進(jìn)展的加快，材料自身及與其它材料之間的連接問題已變得越來越重要。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由基體金屬及增強(qiáng)纖維組成，焊接這種復(fù)合材料的難點在于，在較高的溫度下，金屬基復(fù)合材料中的基體與增強(qiáng)纖維之間通常是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，兩者的接觸界面上易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成對材料性能不利的脆性相，這種反應(yīng)通常稱為界面反應(yīng)。碳在固態(tài)和液態(tài)鋁中的溶解度都不大，固溶度為O. 015% ;而在800°C、1000°C、1100。。和1200°C時的溶解度分別為O. 1%,0. 14%、016%和O. 32%.在室溫到1670°C的溫度范圍內(nèi)，Al與C反應(yīng)生成Al4C3的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能都為負(fù)值。因此，鋁與碳在熱力學(xué)上是不相容的，它們在低溫下已開始反應(yīng)，只是速度非常緩慢，隨著溫度的上升，反應(yīng)越來越劇烈，生成的Al4C3量也越來越多。兩者明顯發(fā)生作用的溫度根據(jù)基體成分和碳纖維結(jié)構(gòu)的不同而不同，約在400°C 500°C之間。焊接溫度在該范圍之上的焊接方法均會引起明顯的界面反應(yīng)。Al4C3為脆性針狀組織，可使基體與增強(qiáng)纖維之間的界面強(qiáng)度劇烈下降，嚴(yán)重惡化母材的性能。目前，對于纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的連接主要集中在電弧焊、釬焊以及擴(kuò)散焊等方法的研究，然而電弧焊由于熔池溫度較高、加熱面積較大，會導(dǎo)致增強(qiáng)相與基體發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)；擴(kuò)散焊由于連接溫度高、加熱時間長，也同樣會導(dǎo)致界面反應(yīng)的大面積發(fā)生；釬焊中的軟釬焊雖然可以實現(xiàn)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的連接，但軟釬料焊接的接頭非常脆，冷卻過程中就可能發(fā)生斷裂。本發(fā)明提出一種可以實現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的連接方法，連接質(zhì)量較高，使碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬間達(dá)到很好的冶金結(jié)合，同時也不會惡化母材的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)焊接方法整體加熱溫度高，導(dǎo)致增強(qiáng)相碳纖維與鋁之間發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，惡化母材性能的問題，而提供一種連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法。本發(fā)明的一種連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法是按以下步驟進(jìn)行的一、按重量份數(shù)將5Γ58份的鋁粉、8 10份的鎳粉和33 37份的氧化銅粉混合均勻，置于球磨罐內(nèi)，按球料質(zhì)量比為5:1的比例放入磨球,在IS氣保護(hù)的條件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；二、將步驟一獲得的混合粉末壓制成相對密度為609Γ80%且厚度為f 3_的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟二獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到真空爐內(nèi)，在壓力為5MPa的條件下，加熱至500°C，并保溫ClOmin，然后隨爐冷卻至室溫，即完成碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的連接。本發(fā)明的優(yōu)點一、本發(fā)明利用傳統(tǒng)的鋁熱放映原理，制備了 Al-Ni-CuO粉末放熱中間層，在500°C即可實現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的連接，同時不會惡化復(fù)合材料的性能，很好的保持了母材的各種優(yōu)良特性。二、利用本發(fā)明的中間層進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的連接，中間層與兩側(cè)母材達(dá)到很好的冶金結(jié)合，連接質(zhì)量好，接頭強(qiáng)度可達(dá)50. 7MPa。本發(fā)明提供了一種連接質(zhì)量較好的、可以實現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬連接的方法，同時不會惡化母材的性能。本發(fā)明中采用自制的粉末中間層，由Ni粉、Al粉、CuO粉按一定的重量配比組成，壓制成f 2_厚的圓柱體，放置在C/A1復(fù)合材料與金屬之間，裝配成“三明治”式結(jié)構(gòu)，放入真空爐中加熱，同時施加一定的壓力，加熱到一定的溫度，并保溫一段時間，實現(xiàn)連接二者的連接。本發(fā)明利用自制的粉末中間層中的Al粉與Ni、CuO粉反應(yīng)放出大量的熱，使中間層中的鋁熔化，并局部熔化與中間層接觸的C/A1復(fù)合材料與金屬，使二者發(fā)生冶金結(jié)合，實現(xiàn)連接。傳統(tǒng)的連接方法，由于整體的加熱溫度均要達(dá)到鋁的熔點，因此不可避免破壞了CfZkl符合材料的綜合性能。而本發(fā)明則利用了 Al與CuO在較低的溫度下(500°C的條件即可反應(yīng))，并伴隨產(chǎn)生大量的熱量，同時Al與Ni在較低的溫度下(600°C左右)也會反生反應(yīng)，并放出大量的熱量，與兩側(cè)母材很好的連接，采用這種自行配置的粉末，很好的降低了整體爐中加熱溫度，達(dá)到很好的連接效果。而在500°C左右，C與Al的界面反應(yīng)較微弱，不會影響C/A1復(fù)合材料的性能，很好的保持了母材的各種優(yōu)良特性。


圖I為連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與TiAl的焊縫宏觀形貌圖；其中，圖中左側(cè)為碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，中間為反應(yīng)后的中間層，右側(cè)為TiAl合金；圖2為碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與TiAl合金裝配示意圖；其中，I為碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，2為中間層壓坯，3為TiAl合金；圖3為碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與TiAl合金連接后的剪切強(qiáng)度測試試驗示意圖；其中，I為碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，2為中間層，3為TiAl合金，4為卡具。
具體實施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式的一種連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法、是按以下步驟進(jìn)行的一、按重量份數(shù)將5Γ58份的鋁粉、8 10份的鎳粉和33 37份的氧化銅粉混合均勻，置于球磨罐內(nèi)，按球料質(zhì)量比為5:1的比例放入磨球，在氬氣保護(hù)的條件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；二、將步驟一獲得的混合粉末壓制成相對密度為609Γ80%且厚度為f3mm的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟二獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到真空爐內(nèi)，在壓力為5MPa的條件下，加熱至500°C，并保溫5 10min，然后隨爐冷卻至室溫，即完成碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的連接。本實施方式的優(yōu)點一、本實施方式利用傳統(tǒng)的鋁熱放映原理，制備了 Al-Ni-CuO粉末放熱中間層，在500°C即可實現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的連接，同時不會惡化復(fù)合材料的性能，很好的保持了母材的各種優(yōu)良特性。二、利用本實施方式的中間層進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的連接，中間層與兩側(cè)母材達(dá)到很好的冶金結(jié)合，連接質(zhì)量好，接頭強(qiáng)度可達(dá)50. 7MPa。本實施方式提供了一種連接質(zhì)量較好的、可以實現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬連接的方法，同時不會惡化母材的性能。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一所述的鋁粉為325 1000目，鎳粉為325 1000目，氧化銅粉為325 1000目。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一至二不同的是步驟二所述的相對密度是在20°C測得的相對密度。其它與具體實施方式
一至二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟三所述的金屬為TiAl合金。其它與具體實施方式
一至三之一相同。通過以下試驗驗證本發(fā)明的效果
本試驗的一種連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法是按以下步驟進(jìn)行的一、稱取5. 6g的鋁粉、O. 9g的鎳粉和3. 5g的氧化銅粉混合均勻，置于球磨罐內(nèi)，按球料質(zhì)量比為5:1比例放入磨球,在IS氣保護(hù)的條件下，以300r/min速度球磨2. 5h,得到混合粉末；二、將步驟一獲得的混合粉末壓制成相對密度為70%且厚度為Imm的中間層，然后密封保存；三、將步驟二獲得的中間層置于碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(購買自哈工大材料學(xué)院特種材料研究所)與TiAl合金之間裝配成“三明治”式裝配件(示意圖如圖2所示)，然后將裝配件夾好放到真空爐內(nèi)，在壓力為5MPa的條件下，加熱至500°C，并保溫lOmin，然后隨爐冷卻至室溫，即完成碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與TiAl合金的連接。本試驗的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為Cf/Al復(fù)合材料，購買自哈工大材料學(xué)院特種材料研究所。本試驗的相對密度是指中間層壓坯的相對密度，是在20°C下測得的。對本試驗連接后的材料在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行背散射觀察，結(jié)果如圖I所示，由圖I可知，中間層與兩側(cè)母材達(dá)到很好的冶金結(jié)合，沒有明顯的缺陷生成，形成了完整的接頭。對接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，測試試驗示意圖如圖3所示，接頭的抗剪強(qiáng)度可到30. 07MPa,達(dá)到母材強(qiáng)度額61. 4%。
權(quán)利要求
1.一種連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法，其特征在于連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法是按以下步驟進(jìn)行的一、按重量份數(shù)將5Γ58份的鋁粉、8 10份的鎳粉和33 37份的氧化銅粉混合均勻，置于球磨罐內(nèi)，按球料質(zhì)量比為5:1的比例放入磨球，在氬氣保護(hù)的條件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；ニ、將步驟一獲得的混合粉末壓制成相對密度為60°/Γ80%且厚度為f3mm的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟ニ獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到真空爐內(nèi)，在壓カ為5MPa的條件下，加熱至500°C，并保溫5 10min，然后隨爐冷卻至室溫，即完成碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法，其特征在于步驟一所述的鋁粉為325 1000目，鎳粉為325 1000目，氧化銅粉為325 1000目。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法，其特征在于步驟ニ所述的相對密度是在20°C測得的相對密度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法，其特征在于步驟三所述的金屬為TiAl合金。
全文摘要
一種連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法，它涉及一種復(fù)合材料與金屬的方法。本發(fā)明要解決傳統(tǒng)焊接方法整體加熱溫度高，導(dǎo)致增強(qiáng)相碳纖維與鋁之間發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，惡化母材性能的問題。方法為一、稱取鋁粉、和氧化銅粉混合，球磨后，得到混合粉末；二、將混合粉末制成相對密度為60%~80%且厚度為1~3mm的中間層，密封保存；三、將中間層置于碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬之間裝配成“三明治”，在壓力為5MPa的條件下，加熱至500℃，并保溫5~10min，隨爐冷卻至室溫。本發(fā)明在500℃即可實現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的連接，接頭強(qiáng)度可達(dá)50.7MPa。本發(fā)明應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料與金屬連接領(lǐng)域。
文檔編號B22F7/04GK102658368SQ201210185530
公開日2012年9月12日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者劉政平, 劉羽, 利肇鶴, 張相龍, 徐曉龍, 李卓然 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)