一种碳基材料与金属的一步连接方法

技术领域

本发明涉及一种碳基材料与金属的一步连接方法，属于材料连接技术领域。

背景技术

石墨熔点高(3400℃)、密度低、抗热冲击能力良好，并且还具备良好的结构性能，因此较多应用于高温或者耐磨领域，例如炉膛、火箭发动机喷管、电机电刷等；但由于石墨属于非金属材料，与其它金属结构件、散热体连接时往往只能采用螺纹连接，具有一定的使用局限性；特别是与金属铜的连接，石墨与金属铜的浸润角可达140°，二者极难浸润，所以采用直接将铜熔化或者采用常规铜基焊料通过加热将二者焊接在一起是不可行的。

专利申请CN106695043A公开了一种碳基材料与铜的钎焊连接方法，所述方法包括以下步骤：首先通过丝网印刷方法在碳基材料表面刷涂一层铬金属浆料，烘干后进行高温真空烧结，使碳基材料表面金属化；其次在碳基材料金属化表面浇铸一层无氧纯铜，浇铸温度1150℃～1200℃，浇铸完毕后，分段保温冷却；最后利用Cu P基钎料真空钎焊浇铸了纯铜的碳基材料和铜合金材料，钎焊温度700℃～800℃；所述发明利用浆料法对碳基材料的表面进行金属化，能增加铜和碳的润湿性，有效消弱铜合金晶粒长大、性能下降等问题，但是连接工艺步骤复杂，碳基材料与铜钎焊连接界面强度仍有待进一步提高。

发明内容

为克服现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种碳基材料与金属的一步连接方法，所述方法采用金属材料铬作为中间体，通过真空烧结工艺使铬既能向待连接金属扩散，与待连接的金属形成固溶体，又能在碳基材料表面与碳发生反应，产生出一定深度的碳化铬层，从而一步实现金属与碳基材料的连接并提高连接界面强度。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

一种碳基材料与金属的一步连接方法，所述方法步骤如下：

(1)将铬金属浆料均匀涂覆在碳基材料表面，干燥后在碳基材料表面形成厚度为100μm～200μm的铬浆料层；

所述碳基材料为石墨或碳基复合材料；

所述铬金属浆料为现有技术中常规的铬金属浆料，通常由铬粉、有机溶剂和增稠剂组成，所述铬金属浆料中铬粉的质量分数为30％～70％，粘度为4000cp～12000cp；

(2)将碳基材料形成铬浆料层的表面和待连接金属相对放置并完全接触，然后进行真空烧结，实现碳基材料与金属的连接，得到碳基材料覆金属件；所述碳基材料覆金属件的金属可以进一步通过机械加工的方法达到要求的厚度；所述真空烧结的工艺参数如下：抽真空到1Pa～10Pa，自室温匀速升温到1150℃～1550℃，保温20min～60min，再匀速降温至700℃，然后冷却至室温。

优选的，所述铬粉粒径为200目～300目；所述铬金属浆料中铬粉的质量分数为33.9％～54.5％，粘度为5000cp～11000cp；所述碳基材料为石墨板；所述待连接金属为铜板或不锈钢板，厚度为2mm以上；所述石墨板与铜板相对放置并完全接触的表面面积相同。

优选的，所述铬金属浆料在使用前进行滚动球磨预处理，使铬金属浆料中各组分混合更为均匀，并增加铬金属浆料的粘稠度；

滚动球磨工艺参数条件如下：

将所述铬金属浆料倒入滚动球磨机中，放入直径为8mm不锈钢磨球，铬金属浆料和不锈钢磨球的质量比为1:1；在20r/min～40r/min转速下球磨24h～48h。

优选的，所述铬金属浆料由铬粉、松油醇和甲基纤维素混合均匀后得到。

优选的，真空烧结使用石墨坩埚作为模具，在石墨坩埚底部铺设一层氧化铝粉，防止模具和碳基材料发生粘连；在石墨坩埚内壁设置一圈石墨纸，防止碳基材料覆金属件和模具内壁发生粘连。

有益效果

(1)本发明提供了一种碳基材料与金属的一步连接方法，所述方法采用金属材料铬作为中间体，通过真空烧结工艺一步实现金属与碳基材料的连接；在真空烧结工艺作用下，铬既能扩散到待连接金属中形成固溶体，又能在碳基材料表面与碳发生反应，产生出一定深度的碳化铬层，从而显著提高碳基材料和金属连接界面的强度，碳基材料与金属的连接界面钎着率可达85％以上。

(2)本发明提供了一种碳基材料与金属的一步连接方法，不同于现有技术中需要先在碳基材料表面通过高温烧结与金属铬形成一层碳化铬层，再通过高温熔化浇注一层无氧纯铜，然后将无氧纯铜与待连接的金属铜块钎焊连接，两步实现碳基材料与铜的连接，本发明通过真空烧结工艺，将涂覆有铬层的碳基材料与金属一步连接，得到碳基材料覆金属件；所述方法工艺步骤简单、高效，所述碳基材料覆金属件中的金属可以通过机械加工的方法达到要求的厚度，以满足不同的使用需求；特别是所述方法连接后得到的石墨覆铜件，可以采用常规钎焊方法焊接到水冷器、火箭发动机喷管等地方，起到传热、隔热作用，实际应用价值高，应用范围广泛。

(3)本发明提供了一种碳基材料与金属的一步连接方法，所述方法在使用前对铬金属浆料进行滚动球磨预处理，以提高所述铬金属浆料中各组分混合的均匀性和铬金属浆料的粘稠度，使铬浆料层均匀致密涂覆在碳基材料表面，进而提高所述碳基材料与金属界面的连接强度。

附图说明

图1为实施例1所述一种碳基材料与金属的一步连接方法装配剖面示意图。

其中，101-石墨坩埚、102-氧化铝粉层、103-铜板、104-石墨纸、105-铬浆料层、106-石墨板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1

一种碳基材料与金属的一步连接方法，所述方法步骤如下：

(1)采用丝网印刷机将铬金属浆料均匀涂覆在石墨板106表面，放入烘箱中在80℃温度下烘干2h后，采用千分尺测量，得到厚度为100μm的铬浆料层105；

所述铬金属浆料采用以下方法制备得到：

分别称取60g粒径为300目的铬粉、100g松油醇和17g甲基纤维素；将松油醇和甲基纤维素放入烧杯，将烧杯置于100℃水浴加热箱中不断搅拌，直到二者彻底融合；然后将铬粉倒入上述烧杯中，不断搅拌，使三种成份混合均匀，得到铬粉质量分数为33.9％的铬金属浆料；将100g所述铬金属浆料倒入滚动球磨机中，放入100g直径8mm不锈钢磨球，在20转/min转速下球磨24小时，使浆料中各组分混合更加均匀；采用粘度测试仪对所述铬金属浆料的粘度进行测试，粘度为5000cp；

(2)如图1所示，将石墨板106和与石墨板106面积相同的、厚度为2mm的待连接的铜板103放入模具石墨坩埚101中，石墨板106形成铬浆料层的表面和铜板103相对放置并完全接触，在真空烧结使用的石墨坩埚101底部铺设一层氧化铝粉，防止石墨坩埚101和碳基材料发生粘连；在石墨坩埚101内壁设置一圈石墨纸104，防止碳基材料覆金属件和石墨坩埚101内壁发生粘连；

将所述石墨坩埚101放入真空烧结炉中进行真空烧结，真空烧结工艺参数如下：所述真空烧结的工艺参数如下：抽真空到1Pa，自室温以10℃/min的升温速度匀速升温到1150℃，保温20min，再以20℃/min的降温速度降温到700℃，然后自然冷却至室温，实现石墨板106与铜板103的连接；连接后得到的石墨覆铜件以采用常规钎焊方法焊接到水冷器、火箭发动机喷管等地方，起到传热、隔热作用，并且所述石墨覆铜件中的铜板可以通过机械加工的方法达到要求的厚度。

实施例2

一种碳基材料与金属的一步连接方法，所述方法步骤如下：

(1)采用丝网印刷机将铬金属浆料均匀涂覆在石墨板106表面，放入烘箱中在80℃温度下烘干2h后，采用千分尺测量，得到厚度为200μm的铬浆料层105；

所述铬金属浆料采用以下方法制备得到：

分别称取140g粒径为300目的铬粉、100g松油醇和17g甲基纤维素；将松油醇和甲基纤维素放入烧杯，将烧杯置于100℃水浴加热箱中不断搅拌，直到二者彻底融合；然后将铬粉倒入上述烧杯中，不断搅拌，使三种成份混合均匀，得到铬粉质量分数为54.5％的铬金属浆料；

将100g所述铬金属浆料倒入滚动球磨机中，放入100g直径8mm不锈钢磨球，在20转/min转速下球磨48小时，使浆料中各组分混合更加均匀；采用粘度测试仪对所述铬金属浆料的粘度进行测试，粘度为11000cp；

(2)将石墨板106和与石墨板106面积相同的、厚度为5mm的待连接的不锈钢板放入模具石墨坩埚101中，石墨板106形成铬浆料层的表面和不锈钢板相对放置并完全接触，在真空烧结使用的石墨坩埚101底部铺设一层氧化铝粉，防止石墨坩埚101和碳基材料发生粘连；在石墨坩埚101内壁设置一圈石墨纸104，防止碳基材料覆金属件和石墨坩埚101内壁发生粘连；

将所述石墨坩埚101放入真空烧结炉中进行真空烧结，真空烧结工艺参数如下：

抽真空到10Pa，自室温以10℃/min的升温速度匀速升温到1550℃，保温60min，再以20℃/min的降温速度降温到700℃，然后自然冷却至室温，实现石墨板106与不锈钢板的连接；所述石墨覆不锈钢件中的不锈钢板可以通过机械加工的方法达到要求的厚度。

采用超声波探伤仪，对实施例1制备得到的石墨覆铜件中的连接界面和实施例2制备得到的石墨覆不锈钢件中的连接界面钎着率进行测试，测试结果可知，实施例1～2中连接界面的钎着率均达到85％以上，说明本发明所述方法能够一步实现金属与碳基材料的连接并提高连接界面强度。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。