CNTs强化复合钎料制备及其钎焊BN/SiO2复合材料与Nb机理研究

本项目针对BN/SiO2复合材料与Nb复合构件的高质量连接及其高温使用性问题，提出了一种适合于钎焊高温应用构件的新型CNTs/TiNi复合钎料的制备方法。拟采用PECVD方法低温原位在Ni-TiH2基体上制备CNTs/TiNi复合钎料，发挥CNTs的增强作用，提高接头力学和高温性能，以满足复合构件的高温使用要求。运用细观力学夹杂理论优化复合钎料体系、以实现接头性质由复合材料到金属的梯度过渡。本项目以钎焊接头的界面分析和应力分析为研究切入点，研究界面组织的演化机理及复合材料侧反应层成长行为，建立界面反应模型。借助复合材料理论分析方法，揭示CNTs对钎缝的强化机制。通过接头应力分析，揭示CNTs对接头应力的影响，阐明CNTs/TiNi复合钎料对接头性能的影响机制，保证BN/SiO2复合材料与Nb的高质量连接。本项目旨在提高复合材料与金属复合构件的高温使用性，促进复合材料与金属连接技术的发展。

本项目针对SiO2-BN陶瓷基复合材料与Nb复合构件的高质量连接及其高温使用性问题，提出了一种适合于钎焊高温应用构件的新型CNTs/TiNi复合钎料的制备方法。采用PECVD方法低温原位在TiH2粉末上制备CNTs/TiNi复合钎料，实现了CNTs在复合钎料中均匀分散且结构保持完整。在最佳工艺参数下制备出CNTs/TiNi复合钎料中CNTs的分散均匀、长度及密度适中、纯度高、结构完整。研究表明，CNTs的加入对TiNi复合钎料的熔点基本无影响，但却显著改善了其在SiO2-BN复合材料表面的润湿性，降低其线膨胀系数。.分析TiNi和CNTs/TiNi复合钎料钎焊SiO2-BN/Nb接头界面组织可知，加入少量CNTs后Nb元素在钎缝中的扩散距离更远，TiNiNb三元共晶分布区域显著增宽。由于TiNiNb三元共晶具有良好的塑韧性，因此采用CNTs/TiNi复合钎料后，SiO2-BN/Nb接头抗剪强度显著提升。当复合钎料中CNTs为1.5vol.%时，接头室温抗剪强度可达83MPa，比未添加CNTs时提高了近70%。此外，由于钎缝中存在大量高温性能优异的Nb元素，而且，CNTs亦具有优异的高温性能并可在高温下阻碍晶粒长大，因此采用CNTs/TiNi复合钎料钎焊的接头在高温也下表现出优异的力学性能，其在800℃下的抗剪强度为49MPa，高温强度保留率达到60%，均远高于采用TiNi钎料钎焊接头的高温抗剪强度。.TiNi钎料与CNTs有良好的界面结合，经高温退火后CNTs仍然保留其管状结构，TiNi钎料在CNTs表面的分布均匀且连续。Ti元素仅在CNTs外壁破损与其发生反应，生成少量的TiC，有利于改善CNTs与TiNi钎料的润湿性，提高界面结合强度。由于Ti元素与CNTs有着极强的亲和力以及良好的界面润湿性，复合钎料中CNTs可以提高Ti原子扩散速度的作用，有效改善了TiNi钎料在SiO2-BN陶瓷表面的润湿性。综上所述，CNTs/TiNi复合钎料对接头力学性能的强化作用主要体现在线膨胀系数调节及载荷传递方面。在钎焊降温过程中，CNTs通过调节线膨胀系数使应力峰值变小，有效阻碍了裂纹的产生与扩展，改善接头性能。而且，CNTs促进了Nb元素的溶解扩散以及在钎缝中的均匀分散，进而协同强化提高接头的高温性能，满足SiO2-BN/Nb复合构件的高温使用要求。