專利名稱：碳、陶瓷非金屬材料與金屬材料的連接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種碳、陶瓷非金屬材料與金屬材料的連接方法，結合非金屬材料表面金屬化、復合電沉積原理和電鑄技術，在非金屬材料表面制備金屬或金屬復合鍍層，并利用金屬電鑄鍍層的可焊性和塑性加工性能解決非金屬材料與金屬結構件的連接問題，適用于碳材料、碳基復合材料、陶瓷材料以及陶瓷復合材料與金屬的連接，屬于復合材料技術領域。
背景技術：
碳材料包括碳基復合材料(如碳纖維增強碳基，或顆粒增強碳基復合材料等)和陶瓷材料包括陶瓷復合材料具有優(yōu)異熱性能的同時，還有良好的力學性能，如高溫下高強度、高溫耐磨性能、高熱穩(wěn)定性、低熱膨脹系數(shù)以及高導熱能力。碳材料和陶瓷材料的這些特有性能使其在一些高技術領域如航空航天以及高溫結構材料領域得到了廣泛應用。
在大多數(shù)工程應用中，碳或者陶瓷材料作為某些結構部件時，往往不能單獨使用，必須與其它的金屬結構件連接。這兩種非金屬材料與金屬材料的連接與金屬材料間的連接方法有很大的差別。兩種異性材料性能差距很大，適用于金屬材料的常規(guī)通用方法，如焊接或者螺紋連接等對碳和陶瓷材料并不適用。碳以及陶瓷材料不像金屬，可以采用焊接與其它金屬部件直接連接。此外，由于碳、陶瓷材料很脆，不具備金屬特有的塑性，因此螺紋連接也很困難。在某些工程應用實例中，一般采用工裝夾具或者膠水連接將碳、陶瓷材料和金屬部件連接在一起，由于額外夾具裝置結構復雜，以及膠接部位的高溫連接強度和抗沖擊性能較差，可靠性得不到很好的保證。
金屬鍍層具有良好的焊接性能，特別像鎳、鐵、銅、鈷等金屬鍍層以及它們的合金鍍層都易于與其它金屬直接焊接。一般來說，金屬鍍層多被用來作為表面防護層或者裝飾層，厚度只有幾微米或者幾十微米，如果和其它金屬焊接時，往往只能提供較弱的連接強度，而在一些結構部件的連接上，根本不能滿足工況條件。電鑄工藝是一項比較古老的工藝，它特別適用于一些形狀復雜零件的整體制備，但還未見用其制備金屬過渡連接部位連接非金屬和金屬部件的報道。
目前隨著表面改性工藝的發(fā)展，有很多工藝都可以在非金屬表面形成金屬鍍層，如化學鍍工藝以及CVD、PVD等。這些工藝只能在非金屬表面形成幾微米到幾十微米的較薄的金屬鍍層，這層金屬鍍層不能作為過渡連接部位直接與其它金屬件連接。
碳、陶瓷非金屬材料與金屬材料在力學性能上有很大的差異，如熱膨脹系數(shù)較低。由于碳、陶瓷材料優(yōu)異的熱性能，常被用做高溫結構部件，因此在碳、陶瓷這類非金屬表面沉積金屬鍍層時必須考慮異種材料之間熱性能的匹配問題，否則在熱應力的影響下會導致鍍層與非金屬材料基體的剝離破壞。目前尚未見有這方面的技術報導。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種碳、陶瓷非金屬材料與金屬材料的連接方法，工藝簡單，容易實施，能有效解決非金屬結構件包括碳纖維增強碳基復合材料及陶瓷材料與金屬件的連接問題。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明結合非金屬材料表面金屬化、復合電沉積原理和電鑄技術，在非金屬材料表面制備厚度可達零點幾到幾個毫米的金屬或者金屬復合鍍層作為過渡連接部位，這層過渡連接金屬鍍層與非金屬基體緊密結合，利用金屬電鑄鍍層的可焊性和塑性加工性能，通過焊接或者其它機械連接方法(螺紋連接)實現(xiàn)金屬化改性非金屬材料與金屬材料結構件的連接問題。為改善碳、陶瓷非金屬材料與電鑄金屬鍍層的熱膨脹性能的匹配問題，可以通過在電鑄溶液中添加第二相陶瓷粒子或晶須等增強體，制備復合金屬基復合材料鍍層有效地解決。
本發(fā)明首先采用非金屬材料表面金屬化工藝使非金屬材料基體表面形成一層導電的金屬底層，然后在底層上電鑄沉積金屬鍍層或復合鍍層，電鑄層厚度依據(jù)所采用的連接方法確定，如采用焊接工藝，鍍層厚度為0.1～3mm，如采用螺紋連接，厚度為1～10mm。復合電鑄鍍層的熱膨脹系數(shù)可以控制在4～12×10-6/℃以內(nèi)，解決不同材料之間的熱匹配性能。
本發(fā)明的方法包括如下具體步驟1、碳、陶瓷非金屬材料表面上金屬底層的制備碳、陶瓷材料經(jīng)除油、活化、敏化、預鍍處理后，使用化學鍍鎳或者化學鍍銅工藝或者直接電鍍，在其表面沉積5～10微米的金屬鍍層。
2、作為過渡連接部位的電鑄金屬鍍層及復合鍍層的制備表面沉積有金屬底層的碳、陶瓷非金屬材料經(jīng)電鑄或者復合電鑄加厚，制備0.1～10mm的金屬鍍層，鍍層厚度依據(jù)所采用的連接方法，如采用焊接工藝，鍍層厚度為0.1～3mm，如采用螺紋連接，厚度為1～10mm。電流密度為2～30A/dm2，沉積速度為20～350μm/小時；本發(fā)明的電鑄鍍層是在水溶液中通電制備的，可以選擇鎳、銅、鐵、鈷以及它們的合金作為鍍層沉積金屬，依據(jù)所沉積鍍層金屬的不同，選擇相應的常規(guī)電鑄溶液。
本發(fā)明的復合電鑄鍍層的制備，是在電鑄溶液中加入增強相，通過機械攪拌使增強相懸浮于溶液中，在電場的作用下使金屬與增強體共沉積在碳、陶瓷非金屬材料表面上。增強相可以選擇SiC、BN、Al2O3、ZrO2、SiO2、金剛石顆粒或SiC、Al2O3晶須或石墨纖維、碳纖維，增強相在電解液中的含量為5～200g/L，增強相在金屬鍍層中的體積含量為5～60％。復合鍍層的熱膨脹系數(shù)可以根據(jù)所選用的金屬鍍層材料和增強相的種類，進行工藝調(diào)控。熱膨脹系數(shù)控制在4～12×10-6/℃以內(nèi)。
3、碳、陶瓷非金屬材料與金屬部件的連接經(jīng)電鑄或者復合電鑄處理后的碳、陶瓷非金屬部件，表面鍍層厚度為0.1～10mm，然后通過表面鍍層與其它金屬部件的焊接或螺紋連接實現(xiàn)非金屬部件與金屬件的連接。
本發(fā)明工藝簡單，容易實施，有效解決了非金屬結構部件與金屬件的連接問題，特別是一些工況苛刻的高溫部件。不僅適用于碳材料、陶瓷材料(如SiC、Al2O3等陶瓷部件)等非金屬材料結構件與金屬件的連接，還適用于其它碳基復合材料(如碳纖維增強碳基復合材料，或顆粒增強碳基復合材料)及陶瓷復合材料等與金屬件的連接。
具體實施例方式以下通過具體的實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。
實施例1碳/碳復合材料經(jīng)除油、活化、敏化、預鍍等常規(guī)工藝進行表面處理后，采用化學鍍鎳工藝在基體表面沉積10個微米的鎳磷合金鍍層，清洗干凈后，置于電源陰極，放入電鑄鎳電解液中，電解液的配方為氨基磺酸鎳300g/L，氯化鎳5g/L，硼酸40g/L，十二烷基硫酸鈉0.1g/L，糖精0.8g/L，PH為4.0。溫度55℃，電流密度28A/dm2，沉積速度為300～350μm/小時。經(jīng)20個小時電鑄后，鍍層厚度大于6mm，鍍層表面無缺陷、裂紋，機械加工時，具有金屬韌性，易于車削。鍍層與碳/碳復合材料結合緊密，界面無間隙，經(jīng)氣密實驗證明，在3Mpa的氣壓下，無漏氣現(xiàn)象。稍許加工后的金屬電鑄鍍層可以直接與其它金屬件焊接或者螺紋連接。
實施例2Al2O3陶瓷件經(jīng)除油、活化、敏化、預鍍、化學鍍銅常規(guī)表面處理工藝處理后，在基體表面沉積10個微米的銅鍍層，清洗干凈后，置于電源陰極，放入電鑄銅電解液中，其配方如下硫酸銅240g/L，硫酸60g/L，聚乙二醇0.05g/L。溫度30℃，電流密度5.5A/dm2，沉積速度為60～70μm/小時。經(jīng)40小時電鑄后，鍍層厚度大于2mm，鍍層表面有少量毛刺，無裂紋，鍍層柔軟，機加工性能良好，易于車削和螺紋加工。氣密實驗證明鍍層與基體Al2O3陶瓷件結合緊密，無空隙，3Mpa氣壓下，無漏氣現(xiàn)象。鍍層經(jīng)表面磨削處理后可以直接與其它金屬件焊接或螺紋連接。
實施例3碳/碳復合材料經(jīng)除油、活化、敏化、預鍍、化學鍍鎳常規(guī)表面處理工藝處理后，在基體表面沉積10個微米的鎳磷合金鍍層，清洗干凈后，置于電源陰極，放入復合電鑄鎳電解液中，選擇SiCp陶瓷粒子作為增強相，平均粒徑為5μm，其配方如下氨基磺酸鎳300g/L，氯化鎳5g/L，硼酸40g/L，SiCp(5μm)20g/L，十六烷基三甲基溴化銨0.1g/L，PH為4.0。溫度55℃，機械攪拌，電流密度5A/dm2，沉積速度為60～70μm/小時。經(jīng)電鑄30個小時后，鍍層厚度大于2mm，鍍層表面發(fā)暗，沒有金屬光澤，無缺陷和裂紋。鍍層韌性降低，但仍可機械加工。復合鍍層內(nèi)SiCp粒子含量為20vol％，熱膨脹系數(shù)為8～9×10-6/℃。氣密實驗證明，鍍層與基體碳/碳復合材料結合緊密，無空隙，3Mpa氣壓下，無漏氣現(xiàn)象。鍍層加熱500℃，然后空氣冷卻，經(jīng)十個循環(huán)后，進行氣密實驗，在3Mpa氣壓下，無漏氣現(xiàn)象。鍍層經(jīng)稍許磨削后，可以與其它金屬件直接焊接或螺紋連接。
實施例4Al2O3陶瓷件經(jīng)除油、活化、敏化、預鍍、化學鍍銅常規(guī)表面處理工藝處理后，在基體表面沉積10個微米的銅鍍層，清洗干凈后，置于電源陰極，放入復合電鑄銅電解液中，選擇SiCp陶瓷粒子作為增強相，平均粒徑為7μm，其配方如下硫酸銅240g/L，硫酸60g/L，SiCp(7μm)35g/L，陽離子氟碳表面活性劑0.1g/L，三乙醇胺50ml/L。溫度30℃，機械攪拌，電流密度5.5A/dm2，沉積速度為50～60μm/小時，經(jīng)40小時電鑄后，鍍層厚度大于2mm，鍍層表面發(fā)暗，有毛刺，無裂紋。電鑄鍍層韌性降低，但仍易于車削加工。鍍層內(nèi)SiCp粒子含量為30vol％，熱膨脹系數(shù)為11～12×10-6/℃。氣密實驗證明鍍層與基體Al2O3陶瓷材料結合緊密，無空隙，3Mpa氣壓下，無漏氣現(xiàn)象。鍍層加熱500℃，然后空氣冷卻，經(jīng)十個循環(huán)后，進行氣密實驗，在3Mpa氣壓下，無漏氣現(xiàn)象。鍍層經(jīng)稍許磨削后，可以與其它金屬件直接焊接或螺紋連接。
權利要求
1.一種碳、陶瓷非金屬材料與金屬件的連接方法，其特征在于包括如下具體步驟1)碳、陶瓷材料經(jīng)除油、活化、敏化、預鍍處理后，使用化學鍍鎳或者化學鍍銅工藝或者直接電鍍，在材料表面沉積5～10微米的金屬鍍層作底層；2)將表面沉積有金屬底層的碳、陶瓷非金屬材料經(jīng)電鑄或者復合電鑄加厚，電流密度為2～30A/dm2，沉積速度為20～350μm/小時，電鑄鍍層制備選擇常規(guī)電鑄溶液，復合電鑄鍍層制備則在電鑄溶液中加入增強相，并用機械攪拌，增強相在電解液中的含量為5～200g/L，增強相在金屬鍍層中的體積含量為5～60％，復合鍍層的熱膨脹系數(shù)控制在4～12×10-6/℃，制備0.1～10mm的金屬鍍層作為過渡連接部位；3)經(jīng)電鑄或者復合電鑄處理后的碳、陶瓷非金屬部件，通過其表面鍍層與其它金屬部件的焊接或螺紋連接實現(xiàn)非金屬部件與金屬件的連接。
2.如權利要求1的碳、陶瓷非金屬材料與金屬件的連接方法，其特征在于所述的鍍層厚度對焊接連接為0.1～3mm，對螺紋連接為1～10mm。
3.如權利要求1的碳、陶瓷非金屬材料與金屬件的連接方法，其特征在于所說的碳、陶瓷非金屬材料包括SiC、Al2O3陶瓷零部件及碳基復合材料。
4.如權利要求1的碳、陶瓷非金屬材料與金屬件的連接方法，其特征在于電鑄鍍層時選擇鎳、銅、鐵、鈷以及它們的合金作為鍍層沉積金屬，并依據(jù)所沉積鍍層金屬的不同，選擇相應的電鑄溶液。
5.如權利要求1的碳、陶瓷非金屬材料與金屬件的連接方法，其特征在于復合電鑄鍍層時在電鑄溶液中加入的增強相選擇SiC、BN、Al2O3、ZrO2、SiO2、金剛石顆?；騍iC、Al2O3晶須或石墨纖維、碳纖維。
全文摘要
一種碳、陶瓷非金屬材料與金屬材料的連接方法，首先采用非金屬材料表面金屬化工藝使非金屬材料基體表面形成一層導電的金屬底層，然后在底層上電鑄沉積厚度為1～10mm的金屬鍍層或復合鍍層，為改善非金屬材料與金屬電鑄層的熱膨脹匹配性能，在電鑄溶液中添加第二相陶瓷粒子或晶須等增強體，復合電鑄鍍層的熱膨脹系數(shù)控制在4～12×10
文檔編號C04B37/02GK1528714SQ200310107940
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月16日 優(yōu)先權日2003年10月16日
發(fā)明者劉磊, 胡文彬, 沈彬, 丁文江, 張荻, 劉 磊 申請人:上海交通大學