石墨烯-泡沫銅中間層的制備及其釬焊機(jī)理研究.pdf

1、陶瓷與金屬釬焊時(shí)因?yàn)閮蓚?cè)母材巨大的性能差異而出現(xiàn)的過(guò)大殘余應(yīng)力是影響其接頭性能的關(guān)鍵因素之一。目前，為了解決陶瓷-金屬釬焊接頭的高殘余應(yīng)力問(wèn)題，主要通過(guò)優(yōu)化釬焊中間層或利用增強(qiáng)體強(qiáng)化釬料性能等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷-金屬的高質(zhì)量連接。在眾多的中間層材料中，泡沫金屬因?yàn)槠淞己玫淖冃文芰投嗫滋匦灾饾u成為研究的熱點(diǎn)。但是值得注意的是，釬焊過(guò)程中熔融釬料會(huì)浸入到泡沫金屬中間層的孔洞中并與其三維骨架發(fā)生相互的擴(kuò)散和溶解從而導(dǎo)致中間層的坍塌，降低其緩解殘

2、余應(yīng)力的效果。
　　石墨烯作為一種新型的納米材料，已在復(fù)合材料/釬料中得到廣泛的研究和應(yīng)用。其不但具有優(yōu)秀的力學(xué)性能，還具有特殊的層片狀結(jié)構(gòu)?？梢栽O(shè)想，如果結(jié)合泡沫金屬疏松多孔和變形良好的優(yōu)勢(shì)以及石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的特點(diǎn)，制備出一種石墨烯-泡沫銅中間層，其緩解殘余應(yīng)力的能力勢(shì)必大大提高。
　　本文采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)原位制備石墨烯-泡沫銅中間層。研究表明石墨烯最佳生長(zhǎng)工藝參數(shù)為沉積溫度960℃、沉積時(shí)間10min、氣體

3、流量比CH4:H2/Ar(H2=17％, Ar=83%)=10:90。在此工藝參數(shù)下制備的石墨烯缺陷少、晶化程度高、結(jié)構(gòu)完整性好。以泡沫銅為基體原位制備的石墨烯增強(qiáng)泡沫銅中間層。經(jīng)測(cè)量及理論計(jì)算驗(yàn)證，石墨烯添加量可達(dá)1.8vol.%。DSC結(jié)果表明，在高溫環(huán)境下石墨烯仍與泡沫銅基體結(jié)合良好，沒(méi)有出現(xiàn)碳元素的溶解現(xiàn)象。
　　以Ag-Cu-Ti為活性釬料釬焊一種典型陶瓷金屬連接體系，即Al2O3陶瓷和Nb。在釬焊參數(shù)為880℃/10m

4、in下，以純泡沫銅為中間層時(shí)釬焊接頭的典型形貌是Al2O3/Ti-O+Ti-Cu+Ti-Al+Cu3Ti3O/Ag(s,s)+Cu(s,s)/ Ti-Cu+(Ti,Nb)/Nb；而應(yīng)用石墨烯-泡沫銅中間層后，原來(lái)焊縫中部的大塊連續(xù)Cu(s,s)+Ag(s,s)變?yōu)榱薃g-Cu共晶以及均勻分散的Cu(s,s)，同時(shí)焊縫變寬。研究表明采用石墨烯強(qiáng)化的中間層時(shí)，隨著焊接溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫連續(xù)性越來(lái)越好，焊縫距離逐漸變窄，接頭剪切

5、強(qiáng)度都呈先升高再降低的趨勢(shì)，其最高強(qiáng)度可達(dá)104.2MPa。石墨烯強(qiáng)化的中間層相較于原始的中間層來(lái)說(shuō)接頭抗剪強(qiáng)度明顯提高，平均提高約35%。
　　研究了泡沫銅做中間層在釬焊過(guò)程中的坍塌行為以及石墨烯的作用機(jī)制。結(jié)果顯示，泡沫銅在釬焊過(guò)程中發(fā)生的坍塌現(xiàn)象源自自身軟化及其與釬料相互擴(kuò)散溶解。石墨烯強(qiáng)化后，由于其特殊結(jié)構(gòu)所致的阻隔作用，會(huì)極大緩解釬料與中間層骨架之間的元素?cái)U(kuò)散及溶解，極大限度地保留了泡沫銅的三維結(jié)構(gòu)，進(jìn)而泡沫銅可充分發(fā)揮