碳纖維復(fù)合材料（包括碳／碳復(fù)合材料和碳／碳化硅復(fù)合材料）是指用碳纖維或石墨纖維為增強(qiáng)相，以碳化硅、石墨化的樹(shù)脂或用化學(xué)沉積的碳作為基體的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料具有散熱快、溫度上升慢的特點(diǎn)，加上它耐高溫、質(zhì)量輕、抗腐蝕、較低的線膨脹系數(shù)、尺寸穩(wěn)定、抗熱振和抗燒蝕等有點(diǎn)，因此，特別適合于制造高速車輛及飛機(jī)的剎車系統(tǒng)、導(dǎo)彈頭、火箭的鼻錐和噴管喉襯、航天飛機(jī)的鼻錐和翼前緣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客機(jī)，大量采用新型碳纖維復(fù)合材料，機(jī)身重量減輕，耗油量減少，整體機(jī)身的強(qiáng)度卻得到明顯加強(qiáng)。此外，由于其特別低的中子激活能、低的原子序數(shù)以及很高的熔點(diǎn)和升華溫度，因此還特別適合于制造核聚變反應(yīng)堆中的部件。

       在外太空探測(cè)器和熱核反應(yīng)堆中，碳纖維復(fù)合材料因強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能出眾而在熱控制系統(tǒng)中得以應(yīng)用，這使它與其它金屬的連接結(jié)構(gòu)成為人們的必然考慮。由于碳或碳化物的熔點(diǎn)很高，因此不能用熔化焊的方法來(lái)進(jìn)行焊接，只能采用釬焊或擴(kuò)散焊等特殊辦法；碳纖維復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)低于大多數(shù)金屬材料，接頭極易在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋或斷裂；碳纖維復(fù)合材料加熱過(guò)程中會(huì)釋放出大量的氣體，嚴(yán)重影響焊接工藝過(guò)程和接頭質(zhì)量，導(dǎo)致接頭中產(chǎn)生大量氣孔和裂紋。

       由于碳纖維復(fù)合材料屬于非金屬材料，釬焊非常困難，一般采用預(yù)先在碳纖維復(fù)合材料上采用鍍敷、燒結(jié)、沉積等方法在表面上處理上一層金屬粉末，然后再進(jìn)行常規(guī)的釬焊。還有一種方法是根據(jù)Ti，Zr等金屬具有較大的活性，能夠與非金屬在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，來(lái)實(shí)施的釬焊方法，稱為活性金屬方法，活性金屬法釬焊有三種方式：(1)將鈦或鋯以墊片方式直接放在碳纖維復(fù)合材料間進(jìn)行釬焊；(2)將鈦或鋯的細(xì)粉或鈦或鋯的氫化物，預(yù)先涂在待連接面上，再放上釬料進(jìn)行釬焊；(3)用含鈦和鋯的活性釬料直接進(jìn)行釬焊。含鈦的釬料都比較脆，難以加工成形，常常做成雙層或多層釬料。如Cu- Ti釬料制成雙金屬片，銀銅鈦釬料制成以鈦為芯，外包復(fù)銀銅合金的絲狀等。含鈦的釬料還常常制成粉末狀使用?；钚越饘俜ǖ娜秉c(diǎn)是，釬焊時(shí)對(duì)真空度和保護(hù)氣氛的純度要求很高。釬焊真空度應(yīng)不低于10-3 Pa。

       碳纖維復(fù)合材料由于制備周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、成本高等因素，應(yīng)用范圍僅限于軍事、高科技等領(lǐng)域，其與銅、鈦等金屬的連接技術(shù)研究也僅僅局限在國(guó)內(nèi)外部分科研單位。目前，關(guān)于這方面的資料尚不多見(jiàn)。本工作就該領(lǐng)域近些年來(lái)所取得的最新研究進(jìn)展，作了系統(tǒng)總結(jié)介紹。

1  碳纖維復(fù)合材料與銅的連接

       熱控制系統(tǒng)在航天領(lǐng)域和核工業(yè)工程中有著重要的應(yīng)用，它的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)常要用到碳或碳纖維復(fù)合材料與銅之間的連接。這是因?yàn)?，碳纖維復(fù)合材料與銅的連接結(jié)構(gòu)不但具備良好的導(dǎo)熱性能，而且，相對(duì)于單純的銅結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，大大降低了結(jié)構(gòu)重量；此外，由于兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)相近，在釬焊和使用過(guò)程中，不會(huì)導(dǎo)致較大熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

       其中，碳／碳復(fù)合材料與銅主要采用釬焊進(jìn)行焊接，50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Cu- Pb最早被用來(lái)作為釬料[21，在710°C釬焊冷卻后，釬料與復(fù)合材料、銅形成連續(xù)的連接界面，但是強(qiáng)度不是很高。后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)，Ti，Zr等過(guò)渡元素，具有很強(qiáng)的化學(xué)活潑性，在液態(tài)時(shí)能與碳元素發(fā)生反應(yīng)。添加少許的活性元素制成的活性釬料，可以直接潤(rùn)濕碳／碳復(fù)合材料的表面并完成與其它金屬的連接。活性金屬釬料法釬焊需要在真空爐或高純度惰性氣氛中進(jìn)行，通常一次即可完成釬焊連接。

       近年來(lái)，銀基、銅基活性釬料已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)生產(chǎn)，并應(yīng)用在碳／碳復(fù)合材料或陶瓷基復(fù)合材料與銅的連接上，見(jiàn)表1。比如，  Cu-ABA  (92.  8Cu-3 Si-2Al-2. 25 Ti)已經(jīng)用來(lái)釬焊碳／碳復(fù)合材料與無(wú)氧銅。釬焊前，首先用超聲波清洗材料約十分鐘，將0. Imm或0. 2mm厚的釬料箔放入試樣中間，在試樣頂部向下施加6 X10-3 MPa的壓力，以450°C/h的速度加熱，在970°C和980°C保溫0.1h，釬焊溫度約為1030℃，真空度不低于2 X10-3 Pa，快速冷卻到900℃，其后冷卻速度降為180°C/h。碳／碳復(fù)合材料與銅可以形成很好的冶金結(jié)合，無(wú)任何氣子L和微裂紋。

       利用15Cu-1 SNi- 70 Ti.68.  8A g-26.  7Cu-4.5 Ti.63Ag-34.  3Cu-1 Sn-1.75 Ti．也可以獲得碳／碳復(fù)合材料與Cu的良好界面‘4]。其中，Ag- Cu- Ti是一種活性釬料，在真空下進(jìn)行釬焊，釬焊溫度選在820℃左右，可以獲得較高強(qiáng)度的接頭；但由于在核輻射下Ag會(huì)轉(zhuǎn)變成Cd，使接頭性能下降，因此含Ag的這種接頭不能用在核聚變裝置中。用Ti作釬料可解決該問(wèn)題。Ti作釬料釬焊銅和碳／碳復(fù)合材料時(shí)，可采用共晶擴(kuò)散工藝，通常在真空下進(jìn)行，典型焊接參數(shù)為：T=1000°C．t=300s，最好在試樣上加一定的壓力。研究表明，在同樣的焊接條件下，直接在碳／碳復(fù)合材料與銅之間插入Ti箔進(jìn)行擴(kuò)散釬焊時(shí)，接頭強(qiáng)度較低；對(duì)碳／碳復(fù)合材料表面進(jìn)行預(yù)鍍處理后，接頭強(qiáng)度較高；而采用預(yù)涂Cu- Ti膏后，接頭強(qiáng)度最高。

       用49 Ti-49Cu-2Be[5]釬料連接低密度的碳／碳復(fù)合材料與銅時(shí)，首先要在復(fù)合材料的表面涂上一層有機(jī)材料（如樹(shù)脂等），在1600°C高溫的真空或氬氣保護(hù)環(huán)境里使有機(jī)材料發(fā)生碳化，提高復(fù)合材料表面碳層的密度，防止釬料熔化后滲入；然后將釬料以焊膏的形式涂在復(fù)合材料的表面，在真空條件下加熱至980°C，保溫5 min，所得接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材強(qiáng)度。值得指出的是，這種釬料還適合連接低密度的碳／碳復(fù)合材料與鋼或者陶瓷。

       ITER分流裝置中的熱管為了具備高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性，通常是由最外層碳／碳復(fù)合材料包覆著銅合金。Pietro．Appendino通過(guò)對(duì)碳／碳復(fù)合材料表面改性，直接將銅澆鑄在表面。他認(rèn)為，選用的VIB元素(如Mo，W，Cr)很容易與碳生成碳化物，而這些類似金屬的碳化物易于被熔化的銅所潤(rùn)濕；各元素對(duì)復(fù)合材料  表面改性后，銅的潤(rùn)濕效果也不同。

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