本發(fā)明屬于無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金的連接領(lǐng)域，涉及一種無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金材料間碳納米管增韌連接層及方法。

背景技術(shù)：

碳碳(c/c)復(fù)合材料是一種戰(zhàn)略性的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、高比強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等一系列優(yōu)異性能，在航空航天、汽車及核能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于c/c復(fù)合材料受預(yù)制體的限制，難以被加工成復(fù)雜零部件且生產(chǎn)成本較高。目前，制造業(yè)領(lǐng)域仍以金屬材料為主，欲拓寬c/c復(fù)合材料應(yīng)用范圍，必須解決c/c復(fù)合材料與金屬材料之間的連接問題，以實(shí)現(xiàn)兩類材料零部件之間的組裝，滿足復(fù)雜構(gòu)件的低成本需求。鎳基高溫合金因其優(yōu)異的高溫性能成為航空航天領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材料，但鎳基高溫合金密度較大，約為c/c復(fù)合材料的4倍，從而限制了其應(yīng)用范圍。如能將鎳基高溫合金與c/c復(fù)合材料進(jìn)行連接，便可充分發(fā)揮兩者的性能優(yōu)勢，拓寬兩種材料的應(yīng)用領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)降低飛行器重量，減少成本，提高零件使用溫度和使用壽命的目的。

文獻(xiàn)1“joiningofc/ccompositesandgh3128ni-basedsuperalloywithni-timixedpowderasaninterlayer.raremetalmaterialsandengineering,40(2011):2088-2091”介紹了一種利用ti-ni混合粉作為連接層材料連接碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和鎳基高溫合金gh3128的方法，但由于ti和ni在高溫下熱膨脹明顯，連接層中出現(xiàn)裂紋及斷層，致使其連接強(qiáng)度極低，而其主要失效部位則出現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料與連接層界面之間。文獻(xiàn)2“partialtransientliquidphasebondingofcarbon/carboncompositesusingti-ni-al2o3-sicompoundasinterlayer.journalofalloysandcompounds,50(2013):57-62”提出一種以ti-ni-al2o3-si釬料為中間層連接c/c復(fù)合材料的方法，該方法所獲得的連接層強(qiáng)度僅為21mpa，同樣，該連接層剪切失效部位仍然位于復(fù)合材料與連接層界面之間。

可見，無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金連接失效的主要原因有：(1)非同質(zhì)材料間物理化學(xué)性質(zhì)的較大差異，使連接層中易出現(xiàn)裂紋和斷層；(2)無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金間熱膨脹系數(shù)不匹配，缺少同無機(jī)復(fù)合材料相似熱膨脹系數(shù)的連接層材料來緩解連接層中因此而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。這些因素導(dǎo)致連接層失效往往發(fā)生在復(fù)合材料與連接層界面處。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金材料間碳納米管增韌連接層及方法。

技術(shù)方案

一種無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金材料間碳納米管增韌連接層，其特征在于：無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金材料之間設(shè)有ti箔、ni箔和cu箔；所述無機(jī)復(fù)合材料的表面為釘扎結(jié)構(gòu)碳納米管層。

一種制備所述無機(jī)復(fù)合材料與異質(zhì)材料間碳納米管增韌連接層的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將無機(jī)復(fù)合材料、ti箔、ni箔、cu箔以及鎳基高溫合金表面分別打磨并清洗并干燥；

步驟2、在無機(jī)復(fù)合材料表面原位生長碳納米管，生成多孔納米管層：

將無機(jī)復(fù)合材料放置在石英管中，在ar氣氣氛下升溫至750～900℃；注射混合溶液石英管內(nèi)，注射時將ar流速調(diào)為1000sccm，生長時間為10～25min，然后隨爐冷卻至室溫，得到表面原位生長碳納米管的無機(jī)復(fù)合材料；所述混合溶液為：將二茂鐵溶于乙二胺和乙醇的混合溶液中，濃度為0.01～0.03g/ml；

步驟3：將表面具有釘扎結(jié)構(gòu)碳納米管層的無機(jī)復(fù)合材料、ti箔、ni箔、cu箔和鎳基高溫合金按照無機(jī)復(fù)合材料/ti箔/ni箔/cu箔/ti箔/鎳基高溫合金的順序疊加在一起，放入熱壓磨具中并裝入真空熱壓爐；

步驟4：以10～15℃/min的升溫速度，將真空熱壓爐爐膛溫度由室溫升到700～900℃并保溫5～20min，在保溫過程中施加3～5mpa的壓力，保溫結(jié)束后立即泄壓；然后以4～8℃/min的升溫速度繼續(xù)升溫到1000～1100℃并保溫10～60min，在保溫過程中施加0.2～0.5mpa的壓力，保溫結(jié)束后立即泄壓；再以2～6℃/min的降溫速度程序降溫到400～800℃，最后讓真空熱壓爐自然冷卻至室溫，在整個過程中真空熱壓爐爐膛中的真空度低于10^-2pa，完成無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合間碳納米管增韌連接。

所述步驟2注射混合溶液石英管內(nèi)的速率為10ml/h。

所述步驟3ti箔和ni箔為30μm；所述cu箔為600μm。

有益效果

本發(fā)明提出的一種無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金材料間碳納米管增韌連接層及方法，首先在復(fù)合材料表面原位生成具有釘扎效應(yīng)的碳納米管，然后以ti箔、ni箔、cu箔作為中間層，連接無機(jī)復(fù)合材料和鎳基高溫合金。通過中間層與母材之間的反應(yīng)，在納米管孔隙填充中間層物料，獲得納米管增韌的連接層，增強(qiáng)了復(fù)合材料與鎳基高溫合金界面間的結(jié)合強(qiáng)度，緩解了因母材與連接層間熱膨脹系數(shù)差異較大而產(chǎn)生的熱應(yīng)力集中問題，實(shí)現(xiàn)無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金間的強(qiáng)結(jié)合。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：通過在復(fù)合材料表面原位生長具有釘扎作用的碳納米管層，獲得碳納米管增韌的連接接頭。利用碳納米管高強(qiáng)、高韌特點(diǎn)，以及在復(fù)合材料表面的釘扎作用，有效提高了復(fù)合材料與鎳基高溫合金間的界面結(jié)合力，緩解因母材與連接層間由于結(jié)構(gòu)的本質(zhì)差異而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料間的強(qiáng)結(jié)合。所得碳納米管增韌連接層具有較高的連接強(qiáng)度，該方法具有很大的應(yīng)用潛力，具備顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

實(shí)施例一：

1)將無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金表面打磨并清洗，在烘箱中干燥備用。

2)在復(fù)合材料表面原位生長碳納米管，生成多孔納米管層，具體步驟如下：將c/c復(fù)合材料試樣放置在石英管中，在ar氣氣氛下升溫至780℃。將二茂鐵溶于乙二胺和乙醇的混合溶液中，濃度為0.01g/ml，超聲均勻后，將其以10ml/h的速率注射到石英管內(nèi)。在注射時將ar流速調(diào)為1000sccm，生長時間為10min，然后隨爐冷卻至室溫，得到表面原位生長碳納米管的c/c復(fù)合材料。

3)將c/c復(fù)合材料、中間層和鎳基高溫合金按照c/c復(fù)合材料/ti(30μm)/ni(30μm)/cu(600μm)/ti(30μm)/鎳基高溫合金的順序疊加在一起，放入熱壓磨具中并裝入真空熱壓爐進(jìn)行連接實(shí)驗(yàn)，具體步驟如下：以11℃/min的升溫速度，將真空熱壓爐爐膛溫度由室溫升到750℃并保溫10min，在保溫過程中施加3.5mpa的壓力，保溫結(jié)束后立即泄壓；然后以5℃/min的升溫速度繼續(xù)升溫到1040℃并保溫20min，在保溫過程中施加0.25mpa的壓力，保溫結(jié)束后立即泄壓；再以3℃/min的降溫速度程序降溫到500℃，最后讓真空熱壓爐自然冷卻至室溫，在整個過程中真空熱壓爐爐膛中的真空度低于10^-2pa，即得碳納米管增韌的連接接頭。

實(shí)施例二：

1)將無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金表面打磨并清洗，在烘箱中干燥備用。

2)在復(fù)合材料表面原位生長碳納米管，生成多孔納米管層，具體步驟如下：將c/c復(fù)合材料試樣放置在石英管中，在ar氣氣氛下升溫至800℃。將二茂鐵溶于乙二胺和乙醇的混合溶液中，濃度為0.02g/ml，超聲均勻后，將其以10ml/h的速率注射到石英管內(nèi)。在注射時將ar流速調(diào)為1000sccm，生長時間為15min，然后隨爐冷卻至室溫，得到表面原位生長碳納米管的c/c復(fù)合材料。

3)將c/c復(fù)合材料、中間層和鎳基高溫合金按照c/c復(fù)合材料/ti(30μm)/ni(30μm)/cu(600μm)/ti(30μm)/鎳基高溫合金的順序疊加在一起，放入熱壓磨具中并裝入真空熱壓爐進(jìn)行連接實(shí)驗(yàn)，具體步驟如下：以12℃/min的升溫速度，將真空熱壓爐爐膛溫度由室溫升到800℃并保溫15min，在保溫過程中施加4mpa的壓力，保溫結(jié)束后立即泄壓；然后以6℃/min的升溫速度繼續(xù)升溫到1060℃并保溫20min，在保溫過程中施加0.35mpa的壓力，保溫結(jié)束后立即泄壓；再以4℃/min的降溫速度程序降溫到600℃，最后讓真空熱壓爐自然冷卻至室溫，在整個過程中真空熱壓爐爐膛中的真空度低于10^-2pa，即得碳納米管增韌的連接接頭。

實(shí)施例三：

1)將無機(jī)復(fù)合材料與鎳基高溫合金表面打磨并清洗，在烘箱中干燥備用。

2)在復(fù)合材料表面原位生長碳納米管，生成多孔納米層，具體步驟如下：將c/c復(fù)合材料試樣放置在石英管中，在ar氣氣氛下升溫至850℃。將二茂鐵溶于乙二胺和乙醇的混合溶液中，濃度為0.03g/ml，超聲均勻后，將其以10ml/h的速率注射到石英管內(nèi)。在注射時將ar流速調(diào)為1000sccm，生長時間為20min，然后隨爐冷卻至室溫，得到表面原位生長碳納米管的c/c復(fù)合材料。

3)將c/c復(fù)合材料、中間層和鎳基高溫合金按照c/c復(fù)合材料/ti(30μm)/ni(30μm)/cu(600μm)/ti(30μm)/鎳基高溫合金的順序疊加在一起，放入熱壓磨具中并裝入真空熱壓爐進(jìn)行連接實(shí)驗(yàn)，具體步驟如下：以13℃/min的升溫速度，將真空熱壓爐爐膛溫度由室溫升到850℃并保溫20min，在保溫過程中施加4.5mpa的壓力，保溫結(jié)束后立即泄壓；然后以7℃/min的升溫速度繼續(xù)升溫到1000～1100℃并保溫40min，在保溫過程中施加0.2～0.5mpa的壓力，保溫結(jié)束后立即泄壓；再以5℃/min的降溫速度程序降溫到700℃，最后讓真空熱壓爐自然冷卻至室溫，在整個過程中真空熱壓爐爐膛中的真空度低于10^-2pa，即得碳納米管增韌的連接接頭。