一、成果名称
C/C 复合材料快速钎焊及焊料设计
二、项目介绍
1.详情
陶瓷材料、陶瓷基复合材料、C/C 复合材料都具有熔点高的物理特性，当用于高温结构件时也希望其钎焊接头所用钎料具有熔点高、钎缝重熔温度高的优点。在陶瓷、碳材中植入碳纤维或陶瓷纤维，可以进一步改善陶瓷、碳材本体的抗裂纹扩展能力。相比于纤维强化陶瓷基复合材料，C/C 复合材料制备相对容易，潜在应用更广。C/C 复合材料(C/C)的熔点高达 3827℃，具有耐烧蚀、密度轻、抗拉强度高、耐腐蚀等优点，可以用于加工制造航空航天高温部件、热核聚变高温部件。但 C/C 因制备成本较高、塑性差，一般需利用钎焊技术制备尺寸较大、形状复杂的 C/C 整体构件;或利用钎焊技术实现 C/C与金属部件的连接。与陶瓷材料相似，C/C 的钎焊主要存在三方面的难点:一是润湿性差;二是热应力大;三是钎料耐热能力差，限制了 C/C 高温性能的发挥。C/C 钎焊研究主要集中在以下几个方面:(1)钎料成分的优化，如含有强活性元素 Ti 的 Ag 基、Cu 基、Ti 基钎料，但 Ag 基、Cu 基、Ti 基活性钎料存在熔点低(低于 1000℃)、重熔温度低、接头许用温度低(500~600℃)的问题，不利于 C/C 母材发挥高温性能的优势。(2)研发复合材料式钎料，如在钎料中添加热膨胀系数低、甚至为负膨胀系数的陶瓷相或合成相，以降低钎缝与 C/C 的热膨胀系数差异，从而降低热应力。(3)C/C 表面焊前进行预处理，如粗化、活化，以达到避免平直界面、增大焊接与承载面积、减小热应力、强化界面接合等不同目的。
为解决传统 Ni 基钎料 (BNi-2 等润湿性差、熔点低导致钎焊接头中钎缝的重熔温度低、残留钎料脆性大且耐热性差、等温凝固耗时长等)不能用于(C/C)/(C/C) 同种母材高温钎焊的问题，团队研发了一种无降熔元素型 Ni 基钎料设计及其快速钎焊 C/C 复合材料的方法。
2.产品性能优势
采用的无 MPD 型 Ni 基钎料，其组织不同于传统 Ni 基钎料的共晶组织，具有固溶体或近固溶体的组织特征，钎料熔点高、脆性小、易成形;利用 Ni-C 共品反应实现对 C/C母材快速溶解与润湿，提高钎的重熔温度至 Ni-C 共品温度，改善钎缝的耐热性能，并降低钎缝脆性，在润湿性、焊接效率、钎缝基体塑性与原位强化、钎缝耐热性能改善方面具有优势。解决了用传统 Ni 基钎料进行 C/C 母材组合的高温钎焊存在的润湿性差、残留钎料脆性大且耗时长的问题，实现了 C/C 快速、高强、超高温钎焊，也可用于陶瓷、陶瓷基复合材料的钎焊，同样具有快速、耐热的优点。
3.市场前景及应用
碳碳复合材料是结构功能一体化的新型材料，具有密度低、比强度大、摩擦特性优良、耐高温等一系列优异性能，广泛用于航空航天、机械制造、交通运输和化工等领域。其中航空航天领域占比最大，占 31.10%，其次是交通运输领域，占 20.9%。数据显示，2022 年中国碳碳材料市场规模达到 48.6 亿元，同比去年增长 17.11%。灵动核心预测2023 年中国碳碳材料市场规模约达到 57.2 元，同比增长 16.94%。现阶段在航空航天等领域亟需解决复材与金属连接等相关问题，但由于不同金属对于焊接工艺有不同要求，因此每种焊料具有焊接特异性，市场容量有限。
4.技术成熟度：原理样机
5.合作方式：转让、授权（许可）
6.负责人：张贵锋
