[发明专利]碳/碳-铜复合材料制备方法

说明书

技术领域  本发明涉及一种碳/碳-铜复合材料与铜的制备方法，特别是涉及一种碳/碳复合材料与铜的连接界面结构及其制备方法。

背景技术  碳/碳复合材料是一种以碳纤维增强碳基体的先进复合材料，具有高熔点、高热导率、低膨胀系数，以及低原子序数等优异性能，是核聚变试验装置面壁材料的优选材料。面壁材料是指面向等离子体的材料，其作用是耐受高温等离子体的热冲击，并将热量转递给毗邻的铜质热沉材料带走。连接问题即由此而生。作为关键部件之一，碳/碳复合材料的上述高性能，唯有借助与热沉材料的连接应用于实际工况，才能得以充分体现。目前碳/碳复合材料与铜的连接问题，已经成为制约其应用于面壁材料的瓶颈问题。

碳/碳复合材料与铜的高效连接，必须解决碳/碳复合材料与铜的热膨胀失配问题。因为铜在0～100℃的线膨胀系数为17.2×10^-6/℃，碳/碳复合材料为1×10^-6/℃左右，两者相差悬殊。在温变过程中，这种膨胀失配引致的界面热应力集中，将可能引起界面剥离、脱落，最终导致连接失效。采用界面膨胀梯度过渡结构，是解决碳/碳复合材料与铜热膨胀失配的重要途径。

发明内容  本发明的目的是提供一种碳/碳复合材料与铜连接用界面膨胀梯度过渡结构及其制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

碳/碳-铜复合材料的制备方法，以具有密度梯度的碳/碳复合材料为坯体，采用热等静压渗铜方法制备碳/碳-铜复合材料，使碳/碳-铜复合材料在厚度方向具有热膨胀系数梯度过渡。主要包括：

1、具有密度梯度的碳/碳复合材料坯体制备

1)以碳毡或碳纤维针刺整体毡为预制体，预制体的表观密度为0.1g/cm³～0.8g/cm³；

2)将碳纤维预制体固定于石墨密封腔的开口端，使气流顺着碳纤维预制体表面流过；

3)以C₃H₆为碳源气、N₂为稀释气，控制C₃H₆:N₂体积比为1:0.5～3；

4)控制样品表面温度为900～1200℃、炉压为1～10kPa。

2、碳/碳复合材料坯体渗铜

1)按合金元素重量百分比：Cu 86％～91％、Cr 8％～12％、Ni 1％～2％配制合金原料，采用真空感应熔炼方法制备铜合金；

2)将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；

3)随炉升温至1350℃～1500℃，控制升温速度为15℃/min～20℃/min、炉压小于10Pa；

4)在1350℃～1500℃，通入氩气加压至8MPa～9MPa，保温15min～30min；

5)随炉冷却至500℃后撤压，至200℃出炉，即得本发明之膨胀梯度过渡结构。

本发明具有如下优点和积极效果：

1、采用本发明的化学气相沉积工装，可有效控制碳纤维预制体沿厚度方向的增密速度，使预制体密度由表及里逐渐降低，获得具有密度梯度的碳/碳复合材料坯体。

2、采用本发明，制备了厚度为0.1mm～5mm的碳/碳-铜复合材料，这种膨胀梯度过渡结构，其厚度方向的线膨胀系数从1.5×10^-6/℃过渡到15.2×10^-6/℃。

3、应用本发明得到的界面膨胀梯度过渡结构，可有效改善碳/碳复合材料与铜连接界面的膨胀失配，促进两者的可靠连接。

附图说明

图1：本发明对碳/碳复合材料坯体进行化学气相沉积的装置结构原理示意图；图中：1—炉体，2---承台，3—石墨腔体，4—待增密碳纤维预制体，5—发热体，6—气流

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下七个实施例：

实施例1