无机复合材料与镍基高温合金材料间碳纳米管增韧连接层及方法

摘要

本发明涉及一种无机复合材料与镍基高温合金材料间碳纳米管增韧连接层及方法，首先在复合材料表面原位生成具有钉扎效应的碳纳米管，然后以Ti箔、Ni箔、Cu箔作为中间层，连接无机复合材料和镍基高温合金。通过中间层与母材之间的反应，在纳米管孔隙填充中间层物料，获得纳米管增韧的连接层，增强了复合材料与镍基高温合金界面间的结合强度，缓解了因母材与连接层间热膨胀系数差异较大而产生的热应力集中问题，实现无机复合材料与镍基高温合金间的强结合。所得碳纳米管增韧连接层具有较高的连接强度，该方法具有很大的应用潜力，具备显著的经济和社会效益。

说明书

技术领域

本发明属于无机复合材料与镍基高温合金的连接领域，涉及一种无机复合材料与镍基高温合金材料间碳纳米管增韧连接层及方法。

背景技术

碳碳(C/C)复合材料是一种战略性的高温结构材料，具有低密度、低热膨胀系数、高比强度、耐高温、耐腐蚀等一系列优异性能，在航空航天、汽车及核能等领域具有广阔的应用前景。但是，由于C/C复合材料受预制体的限制，难以被加工成复杂零部件且生产成本较高。目前，制造业领域仍以金属材料为主，欲拓宽C/C复合材料应用范围，必须解决C/C复合材料与金属材料之间的连接问题，以实现两类材料零部件之间的组装，满足复杂构件的低成本需求。镍基高温合金因其优异的高温性能成为航空航天领域重要的结构材料，但镍基高温合金密度较大，约为C/C复合材料的4倍，从而限制了其应用范围。如能将镍基高温合金与C/C复合材料进行连接，便可充分发挥两者的性能优势，拓宽两种材料的应用领域，从而实现降低飞行器重量，减少成本，提高零件使用温度和使用寿命的目的。

文献1“Joining of C/C Composites and GH3128Ni-based Superalloy with Ni-Ti Mixed Powder as an Interlayer.Rare Metal Materials and Engineering,40(2011):2088-2091”介绍了一种利用Ti-Ni混合粉作为连接层材料连接碳纤维增强复合材料和镍基高温合金GH3128的方法，但由于Ti和Ni在高温下热膨胀明显，连接层中出现裂纹及断层，致使其连接强度极低，而其主要失效部位则出现在碳纤维复合材料与连接层界面之间。文献2“Partial transient liquid phase bonding of carbon/carbon composites using Ti-Ni-Al₂O₃-Si>2O₃-Si钎料为中间层连接C/C复合材料的方法，该方法所获得的连接层强度仅为21MPa，同样，该连接层剪切失效部位仍然位于复合材料与连接层界面之间。

可见，无机复合材料与镍基高温合金连接失效的主要原因有：(1)非同质材料间物理化学性质的较大差异，使连接层中易出现裂纹和断层；(2)无机复合材料与镍基高温合金间热膨胀系数不匹配，缺少同无机复合材料相似热膨胀系数的连接层材料来缓解连接层中因此而产生的热应力。这些因素导致连接层失效往往发生在复合材料与连接层界面处。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无机复合材料与镍基高温合金材料间碳纳米管增韧连接层及方法。

技术方案

一种无机复合材料与镍基高温合金材料间碳纳米管增韧连接层，其特征在于：无机复合材料与镍基高温合金材料之间设有Ti箔、Ni箔和Cu箔；所述无机复合材料的表面为钉扎结构碳纳米管层。

一种制备所述无机复合材料与异质材料间碳纳米管增韧连接层的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将无机复合材料、Ti箔、Ni箔、Cu箔以及镍基高温合金表面分别打磨并清洗并干燥；

步骤2、在无机复合材料表面原位生长碳纳米管，生成多孔纳米管层：

将无机复合材料放置在石英管中，在Ar气气氛下升温至750～900℃；注射混合溶液石英管内，注射时将Ar流速调为1000sccm，生长时间为10～25min，然后随炉冷却至室温，得到表面原位生长碳纳米管的无机复合材料；所述混合溶液为：将二茂铁溶于乙二胺和乙醇的混合溶液中，浓度为0.01～0.03g/mL；

步骤3：将表面具有钉扎结构碳纳米管层的无机复合材料、Ti箔、Ni箔、Cu箔和镍基高温合金按照无机复合材料/Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ti箔/镍基高温合金的顺序叠加在一起，放入热压磨具中并装入真空热压炉；

步骤4：以10～15℃/min的升温速度，将真空热压炉炉膛温度由室温升到700～900℃并保温5～20min，在保温过程中施加3～5MPa的压力，保温结束后立即泄压；然后以4～8℃/min的升温速度继续升温到1000～1100℃并保温10～60min，在保温过程中施加0.2～0.5MPa的压力，保温结束后立即泄压；再以2～6℃/min的降温速度程序降温到400～800℃，最后让真空热压炉自然冷却至室温，在整个过程中真空热压炉炉膛中的真空度低于10^-2Pa，完成无机复合材料与镍基高温合间碳纳米管增韧连接。

所述步骤2注射混合溶液石英管内的速率为10ml/h。

所述步骤3Ti箔和Ni箔为30μm；所述Cu箔为600μm。

有益效果

本发明提出的一种无机复合材料与镍基高温合金材料间碳纳米管增韧连接层及方法，首先在复合材料表面原位生成具有钉扎效应的碳纳米管，然后以Ti箔、Ni箔、Cu箔作为中间层，连接无机复合材料和镍基高温合金。通过中间层与母材之间的反应，在纳米管孔隙填充中间层物料，获得纳米管增韧的连接层，增强了复合材料与镍基高温合金界面间的结合强度，缓解了因母材与连接层间热膨胀系数差异较大而产生的热应力集中问题，实现无机复合材料与镍基高温合金间的强结合。

本发明的优点在于：通过在复合材料表面原位生长具有钉扎作用的碳纳米管层，获得碳纳米管增韧的连接接头。利用碳纳米管高强、高韧特点，以及在复合材料表面的钉扎作用，有效提高了复合材料与镍基高温合金间的界面结合力，缓解因母材与连接层间由于结构的本质差异而产生的热应力，实现异质材料间的强结合。所得碳纳米管增韧连接层具有较高的连接强度，该方法具有很大的应用潜力，具备显著的经济和社会效益。

具体实施方式

现结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：

1)将无机复合材料与镍基高温合金表面打磨并清洗，在烘箱中干燥备用。

2)在复合材料表面原位生长碳纳米管，生成多孔纳米管层，具体步骤如下：将C/C复合材料试样放置在石英管中，在Ar气气氛下升温至780℃。将二茂铁溶于乙二胺和乙醇的混合溶液中，浓度为0.01g/mL，超声均匀后，将其以10ml/h的速率注射到石英管内。在注射时将Ar流速调为1000sccm，生长时间为10min，然后随炉冷却至室温，得到表面原位生长碳纳米管的C/C复合材料。

3)将C/C复合材料、中间层和镍基高温合金按照C/C复合材料/Ti(30μm)/Ni(30μm)/Cu(600μm)/Ti(30μm)/镍基高温合金的顺序叠加在一起，放入热压磨具中并装入真空热压炉进行连接实验，具体步骤如下：以11℃/min的升温速度，将真空热压炉炉膛温度由室温升到750℃并保温10min，在保温过程中施加3.5MPa的压力，保温结束后立即泄压；然后以5℃/min的升温速度继续升温到1040℃并保温20min，在保温过程中施加0.25MPa的压力，保温结束后立即泄压；再以3℃/min的降温速度程序降温到500℃，最后让真空热压炉自然冷却至室温，在整个过程中真空热压炉炉膛中的真空度低于10^-2Pa，即得碳纳米管增韧的连接接头。

实施例二：

1)将无机复合材料与镍基高温合金表面打磨并清洗，在烘箱中干燥备用。

2)在复合材料表面原位生长碳纳米管，生成多孔纳米管层，具体步骤如下：将C/C复合材料试样放置在石英管中，在Ar气气氛下升温至800℃。将二茂铁溶于乙二胺和乙醇的混合溶液中，浓度为0.02g/mL，超声均匀后，将其以10ml/h的速率注射到石英管内。在注射时将Ar流速调为1000sccm，生长时间为15min，然后随炉冷却至室温，得到表面原位生长碳纳米管的C/C复合材料。

3)将C/C复合材料、中间层和镍基高温合金按照C/C复合材料/Ti(30μm)/Ni(30μm)/Cu(600μm)/Ti(30μm)/镍基高温合金的顺序叠加在一起，放入热压磨具中并装入真空热压炉进行连接实验，具体步骤如下：以12℃/min的升温速度，将真空热压炉炉膛温度由室温升到800℃并保温15min，在保温过程中施加4MPa的压力，保温结束后立即泄压；然后以6℃/min的升温速度继续升温到1060℃并保温20min，在保温过程中施加0.35MPa的压力，保温结束后立即泄压；再以4℃/min的降温速度程序降温到600℃，最后让真空热压炉自然冷却至室温，在整个过程中真空热压炉炉膛中的真空度低于10^-2Pa，即得碳纳米管增韧的连接接头。

实施例三：

1)将无机复合材料与镍基高温合金表面打磨并清洗，在烘箱中干燥备用。

2)在复合材料表面原位生长碳纳米管，生成多孔纳米层，具体步骤如下：将C/C复合材料试样放置在石英管中，在Ar气气氛下升温至850℃。将二茂铁溶于乙二胺和乙醇的混合溶液中，浓度为0.03g/mL，超声均匀后，将其以10ml/h的速率注射到石英管内。在注射时将Ar流速调为1000sccm，生长时间为20min，然后随炉冷却至室温，得到表面原位生长碳纳米管的C/C复合材料。

3)将C/C复合材料、中间层和镍基高温合金按照C/C复合材料/Ti(30μm)/Ni(30μm)/Cu(600μm)/Ti(30μm)/镍基高温合金的顺序叠加在一起，放入热压磨具中并装入真空热压炉进行连接实验，具体步骤如下：以13℃/min的升温速度，将真空热压炉炉膛温度由室温升到850℃并保温20min，在保温过程中施加4.5MPa的压力，保温结束后立即泄压；然后以7℃/min的升温速度继续升温到1000～1100℃并保温40min，在保温过程中施加0.2～0.5MPa的压力，保温结束后立即泄压；再以5℃/min的降温速度程序降温到700℃，最后让真空热压炉自然冷却至室温，在整个过程中真空热压炉炉膛中的真空度低于10^-2Pa，即得碳纳米管增韧的连接接头。