专利名称：碳、陶瓷非金属材料与金属材料的连接方法
技术领域：
本发明涉及一种碳、陶瓷非金属材料与金属材料的连接方法，结合非金属材料表面金属化、复合电沉积原理和电铸技术，在非金属材料表面制备金属或金属复合镀层，并利用金属电铸镀层的可焊性和塑性加工性能解决非金属材料与金属结构件的连接问题，适用于碳材料、碳基复合材料、陶瓷材料以及陶瓷复合材料与金属的连接，属于复合材料技术领域。
背景技术：
碳材料包括碳基复合材料(如碳纤维增强碳基，或颗粒增强碳基复合材料等)和陶瓷材料包括陶瓷复合材料具有优异热性能的同时，还有良好的力学性能，如高温下高强度、高温耐磨性能、高热稳定性、低热膨胀系数以及高导热能力。碳材料和陶瓷材料的这些特有性能使其在一些高技术领域如航空航天以及高温结构材料领域得到了广泛应用。
在大多数工程应用中，碳或者陶瓷材料作为某些结构部件时，往往不能单独使用，必须与其它的金属结构件连接。这两种非金属材料与金属材料的连接与金属材料间的连接方法有很大的差别。两种异性材料性能差距很大，适用于金属材料的常规通用方法，如焊接或者螺纹连接等对碳和陶瓷材料并不适用。碳以及陶瓷材料不像金属，可以采用焊接与其它金属部件直接连接。此外，由于碳、陶瓷材料很脆，不具备金属特有的塑性，因此螺纹连接也很困难。在某些工程应用实例中，一般采用工装夹具或者胶水连接将碳、陶瓷材料和金属部件连接在一起，由于额外夹具装置结构复杂，以及胶接部位的高温连接强度和抗冲击性能较差，可靠性得不到很好的保证。
金属镀层具有良好的焊接性能，特别像镍、铁、铜、钴等金属镀层以及它们的合金镀层都易于与其它金属直接焊接。一般来说，金属镀层多被用来作为表面防护层或者装饰层，厚度只有几微米或者几十微米，如果和其它金属焊接时，往往只能提供较弱的连接强度，而在一些结构部件的连接上，根本不能满足工况条件。电铸工艺是一项比较古老的工艺，它特别适用于一些形状复杂零件的整体制备，但还未见用其制备金属过渡连接部位连接非金属和金属部件的报道。
目前随着表面改性工艺的发展，有很多工艺都可以在非金属表面形成金属镀层，如化学镀工艺以及CVD、PVD等。这些工艺只能在非金属表面形成几微米到几十微米的较薄的金属镀层，这层金属镀层不能作为过渡连接部位直接与其它金属件连接。
碳、陶瓷非金属材料与金属材料在力学性能上有很大的差异，如热膨胀系数较低。由于碳、陶瓷材料优异的热性能，常被用做高温结构部件，因此在碳、陶瓷这类非金属表面沉积金属镀层时必须考虑异种材料之间热性能的匹配问题，否则在热应力的影响下会导致镀层与非金属材料基体的剥离破坏。目前尚未见有这方面的技术报导。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种碳、陶瓷非金属材料与金属材料的连接方法，工艺简单，容易实施，能有效解决非金属结构件包括碳纤维增强碳基复合材料及陶瓷材料与金属件的连接问题。
为实现这样的目的，本发明结合非金属材料表面金属化、复合电沉积原理和电铸技术，在非金属材料表面制备厚度可达零点几到几个毫米的金属或者金属复合镀层作为过渡连接部位，这层过渡连接金属镀层与非金属基体紧密结合，利用金属电铸镀层的可焊性和塑性加工性能，通过焊接或者其它机械连接方法(螺纹连接)实现金属化改性非金属材料与金属材料结构件的连接问题。为改善碳、陶瓷非金属材料与电铸金属镀层的热膨胀性能的匹配问题，可以通过在电铸溶液中添加第二相陶瓷粒子或晶须等增强体，制备复合金属基复合材料镀层有效地解决。
本发明首先采用非金属材料表面金属化工艺使非金属材料基体表面形成一层导电的金属底层，然后在底层上电铸沉积金属镀层或复合镀层，电铸层厚度依据所采用的连接方法确定，如采用焊接工艺，镀层厚度为0.1～3mm，如采用螺纹连接，厚度为1～10mm。复合电铸镀层的热膨胀系数可以控制在4～12×10-6/℃以内，解决不同材料之间的热匹配性能。
本发明的方法包括如下具体步骤1、碳、陶瓷非金属材料表面上金属底层的制备碳、陶瓷材料经除油、活化、敏化、预镀处理后，使用化学镀镍或者化学镀铜工艺或者直接电镀，在其表面沉积5～10微米的金属镀层。
2、作为过渡连接部位的电铸金属镀层及复合镀层的制备表面沉积有金属底层的碳、陶瓷非金属材料经电铸或者复合电铸加厚，制备0.1～10mm的金属镀层，镀层厚度依据所采用的连接方法，如采用焊接工艺，镀层厚度为0.1～3mm，如采用螺纹连接，厚度为1～10mm。电流密度为2～30A/dm2，沉积速度为20～350μm/小时；本发明的电铸镀层是在水溶液中通电制备的，可以选择镍、铜、铁、钴以及它们的合金作为镀层沉积金属，依据所沉积镀层金属的不同，选择相应的常规电铸溶液。
本发明的复合电铸镀层的制备，是在电铸溶液中加入增强相，通过机械搅拌使增强相悬浮于溶液中，在电场的作用下使金属与增强体共沉积在碳、陶瓷非金属材料表面上。增强相可以选择SiC、BN、Al2O3、ZrO2、SiO2、金刚石颗粒或SiC、Al2O3晶须或石墨纤维、碳纤维，增强相在电解液中的含量为5～200g/L，增强相在金属镀层中的体积含量为5～60％。复合镀层的热膨胀系数可以根据所选用的金属镀层材料和增强相的种类，进行工艺调控。热膨胀系数控制在4～12×10-6/℃以内。
3、碳、陶瓷非金属材料与金属部件的连接经电铸或者复合电铸处理后的碳、陶瓷非金属部件，表面镀层厚度为0.1～10mm，然后通过表面镀层与其它金属部件的焊接或螺纹连接实现非金属部件与金属件的连接。
本发明工艺简单，容易实施，有效解决了非金属结构部件与金属件的连接问题，特别是一些工况苛刻的高温部件。不仅适用于碳材料、陶瓷材料(如SiC、Al2O3等陶瓷部件)等非金属材料结构件与金属件的连接，还适用于其它碳基复合材料(如碳纤维增强碳基复合材料，或颗粒增强碳基复合材料)及陶瓷复合材料等与金属件的连接。
具体实施例方式以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1碳/碳复合材料经除油、活化、敏化、预镀等常规工艺进行表面处理后，采用化学镀镍工艺在基体表面沉积10个微米的镍磷合金镀层，清洗干净后，置于电源阴极，放入电铸镍电解液中，电解液的配方为氨基磺酸镍300g/L，氯化镍5g/L，硼酸40g/L，十二烷基硫酸钠0.1g/L，糖精0.8g/L，PH为4.0。温度55℃，电流密度28A/dm2，沉积速度为300～350μm/小时。经20个小时电铸后，镀层厚度大于6mm，镀层表面无缺陷、裂纹，机械加工时，具有金属韧性，易于车削。镀层与碳/碳复合材料结合紧密，界面无间隙，经气密实验证明，在3Mpa的气压下，无漏气现象。稍许加工后的金属电铸镀层可以直接与其它金属件焊接或者螺纹连接。
实施例2Al2O3陶瓷件经除油、活化、敏化、预镀、化学镀铜常规表面处理工艺处理后，在基体表面沉积10个微米的铜镀层，清洗干净后，置于电源阴极，放入电铸铜电解液中，其配方如下硫酸铜240g/L，硫酸60g/L，聚乙二醇0.05g/L。温度30℃，电流密度5.5A/dm2，沉积速度为60～70μm/小时。经40小时电铸后，镀层厚度大于2mm，镀层表面有少量毛刺，无裂纹，镀层柔软，机加工性能良好，易于车削和螺纹加工。气密实验证明镀层与基体Al2O3陶瓷件结合紧密，无空隙，3Mpa气压下，无漏气现象。镀层经表面磨削处理后可以直接与其它金属件焊接或螺纹连接。
实施例3碳/碳复合材料经除油、活化、敏化、预镀、化学镀镍常规表面处理工艺处理后，在基体表面沉积10个微米的镍磷合金镀层，清洗干净后，置于电源阴极，放入复合电铸镍电解液中，选择SiCp陶瓷粒子作为增强相，平均粒径为5μm，其配方如下氨基磺酸镍300g/L，氯化镍5g/L，硼酸40g/L，SiCp(5μm)20g/L，十六烷基三甲基溴化铵0.1g/L，PH为4.0。温度55℃，机械搅拌，电流密度5A/dm2，沉积速度为60～70μm/小时。经电铸30个小时后，镀层厚度大于2mm，镀层表面发暗，没有金属光泽，无缺陷和裂纹。镀层韧性降低，但仍可机械加工。复合镀层内SiCp粒子含量为20vol％，热膨胀系数为8～9×10-6/℃。气密实验证明，镀层与基体碳/碳复合材料结合紧密，无空隙，3Mpa气压下，无漏气现象。镀层加热500℃，然后空气冷却，经十个循环后，进行气密实验，在3Mpa气压下，无漏气现象。镀层经稍许磨削后，可以与其它金属件直接焊接或螺纹连接。
实施例4Al2O3陶瓷件经除油、活化、敏化、预镀、化学镀铜常规表面处理工艺处理后，在基体表面沉积10个微米的铜镀层，清洗干净后，置于电源阴极，放入复合电铸铜电解液中，选择SiCp陶瓷粒子作为增强相，平均粒径为7μm，其配方如下硫酸铜240g/L，硫酸60g/L，SiCp(7μm)35g/L，阳离子氟碳表面活性剂0.1g/L，三乙醇胺50ml/L。温度30℃，机械搅拌，电流密度5.5A/dm2，沉积速度为50～60μm/小时，经40小时电铸后，镀层厚度大于2mm，镀层表面发暗，有毛刺，无裂纹。电铸镀层韧性降低，但仍易于车削加工。镀层内SiCp粒子含量为30vol％，热膨胀系数为11～12×10-6/℃。气密实验证明镀层与基体Al2O3陶瓷材料结合紧密，无空隙，3Mpa气压下，无漏气现象。镀层加热500℃，然后空气冷却，经十个循环后，进行气密实验，在3Mpa气压下，无漏气现象。镀层经稍许磨削后，可以与其它金属件直接焊接或螺纹连接。
权利要求
1.一种碳、陶瓷非金属材料与金属件的连接方法，其特征在于包括如下具体步骤1)碳、陶瓷材料经除油、活化、敏化、预镀处理后，使用化学镀镍或者化学镀铜工艺或者直接电镀，在材料表面沉积5～10微米的金属镀层作底层；2)将表面沉积有金属底层的碳、陶瓷非金属材料经电铸或者复合电铸加厚，电流密度为2～30A/dm2，沉积速度为20～350μm/小时，电铸镀层制备选择常规电铸溶液，复合电铸镀层制备则在电铸溶液中加入增强相，并用机械搅拌，增强相在电解液中的含量为5～200g/L，增强相在金属镀层中的体积含量为5～60％，复合镀层的热膨胀系数控制在4～12×10-6/℃，制备0.1～10mm的金属镀层作为过渡连接部位；3)经电铸或者复合电铸处理后的碳、陶瓷非金属部件，通过其表面镀层与其它金属部件的焊接或螺纹连接实现非金属部件与金属件的连接。
2.如权利要求1的碳、陶瓷非金属材料与金属件的连接方法，其特征在于所述的镀层厚度对焊接连接为0.1～3mm，对螺纹连接为1～10mm。
3.如权利要求1的碳、陶瓷非金属材料与金属件的连接方法，其特征在于所说的碳、陶瓷非金属材料包括SiC、Al2O3陶瓷零部件及碳基复合材料。
4.如权利要求1的碳、陶瓷非金属材料与金属件的连接方法，其特征在于电铸镀层时选择镍、铜、铁、钴以及它们的合金作为镀层沉积金属，并依据所沉积镀层金属的不同，选择相应的电铸溶液。
5.如权利要求1的碳、陶瓷非金属材料与金属件的连接方法，其特征在于复合电铸镀层时在电铸溶液中加入的增强相选择SiC、BN、Al2O3、ZrO2、SiO2、金刚石颗粒或SiC、Al2O3晶须或石墨纤维、碳纤维。
全文摘要
一种碳、陶瓷非金属材料与金属材料的连接方法，首先采用非金属材料表面金属化工艺使非金属材料基体表面形成一层导电的金属底层，然后在底层上电铸沉积厚度为1～10mm的金属镀层或复合镀层，为改善非金属材料与金属电铸层的热膨胀匹配性能，在电铸溶液中添加第二相陶瓷粒子或晶须等增强体，复合电铸镀层的热膨胀系数控制在4～12×10
文档编号C04B37/02GK1528714SQ200310107940
公开日2004年9月15日 申请日期2003年10月16日 优先权日2003年10月16日
发明者刘磊, 胡文彬, 沈彬, 丁文江, 张荻, 刘 磊 申请人:上海交通大学