SiO2f/SiO2表面生长碳纳米管及与TC4钎焊工艺及机理研究

摘要

石英纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料(SiO2f/SiO2)是一种具有优异的承载、耐热及透波等性能的航空航天用复合材料,TC4钛合金因其优良的耐热、耐蚀、高比强度等性能,在航空航天领域有着广泛的应用。实现两者的钎焊连接可以充分发挥两种材料的特性,具有重大的实际意义。在陶瓷基复合材料与金属材料的钎焊连接中,陶瓷基材料润湿性差和连接材料线膨胀系数差异大造成的热应力是影响接头质量的主要因素。本文提出一种在SiO2f/SiO2复合材料表面生长定向碳纳米管阵列辅助钎焊的工艺,改善钎料对复合材料表面润湿性以及调节钎缝的线膨胀系数,以获得高可靠性、高强度接头。
　　采用PECVD法在SiO2f/SiO2复合材料表面实现碳纳米管生长的工艺,选择了催化剂的制备工艺,重点研究了各生长工艺参数通过对催化剂活性的影响从而影响生长得到的碳纳米管的分布密度、高度。优选适合复合材料表面生长碳纳米管的最佳工艺参数,在复合材料表面得到了定向碳纳米管阵列。碳纳米管直径约12.64nm,碳纳米管阵列的高度可达2μm。
　　采用AgCuTi作为钎料,实现了钎焊生长碳纳米管后的SiO2f/SiO2复合材料与TC4钛合金的可靠连接。接头典型界面为SiO2f/SiO2复合材料/TiSi2/Cu4Ti3+Cu3Ti3O/Ag(s,s)+Cu(s,s)/TiCu/Ti2Cu/α+针状β-Ti/TC4。当钎焊温度850℃,保温时间10min时,生长碳纳米管后接头最高抗剪强度达37MPa,高于未生长碳纳米管得到的接头抗剪强度6MPa。随钎焊温度升高或保温时间延长,界面中形成大量的(Ti,Cu)化合物相,两侧母材界面反应层厚度增加,接头抗剪强度表现出先升高再降低的趋势。
　　生长碳纳米管对钎焊过程的影响主要为改善钎料润湿性和降低钎缝线膨胀系数。润湿性改善的主要机制为利用碳纳米管与液态AgCuTi钎料之间良好的润湿性,以及碳纳米管阵列所固有的纳米粗糙度,来促进液态钎料的铺展。线膨胀系数的降低主要是由于具有低线膨胀系数特点的碳纳米管会存在于钎缝中,降低钎缝的线膨胀系数,调节接头应力,缓解了复合材料侧应力集中。采用在碳纳米管表面蒸镀钎料金属的方式直接研究碳纳米管与AgCuTi钎料的界面行为。研究发现,添加了Ti元素的AgCuTi钎料对碳纳米管的润湿性要优于AgCu钎料。在850℃、900℃进行退火处理后,Ti与碳纳米管发生界面反应,界面反应产物为TiC。

目录

SiO2f/SiO2表面生长碳纳米管及与TC4钎焊工艺及机理研究

Growth of CNTs on SiO2f/SiO2 and the process and mechanism of brazing with TC4 alloy

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2 SiO2f/SiO2复合材料连接研究现状

1.2.1 SiO2f/SiO2复合材料的胶接连接

1.2.2 SiO2f/SiO2复合材料的钎焊连接

1.3碳纳米管研究现状

1.3.1碳纳米管性质

1.3.2碳纳米管的制备工艺

1.4本课题主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2实验设备

2.3 实验过程

2.4 微观分析及性能测试

第3章 SiO2f/SiO2复合材料表面生长碳纳米管工艺研究

3.1 引言

3.2 PECVD生长碳纳米管过程

3.3工艺参数对生长碳纳米管形态及分布的影响

3.4 碳纳米管生长最佳工艺参数及碳纳米管表征

3.5 本章小结

第4章 表面生长CNTs的SiO2f/SiO2与TC4钎焊接头界面组织与性能

4.1 引言

4.2 SiO2f/SiO2复合材料与TC4钎焊连接界面分析

4.3 工艺参数对接头界面组织的影响

4.4 工艺参数对接头力学性能影响及接头断裂位置分析

4.5 本章小结

第5章 碳纳米管生长改善接头性能的机制分析

5.1 引言

5.2碳纳米管促进AgCuTi钎料润湿机制分析

5.3 碳纳米管对钎缝线膨胀系数的影响

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢