C-C復(fù)合材料與Cu連接界面應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).pdf

1、C/C復(fù)合材料具有低密度、高導(dǎo)熱性、耐熱沖擊等優(yōu)點(diǎn)，并具有特別低的中子激活能以及很高的熔點(diǎn)和升華溫度，其與Cu質(zhì)熱沉的連接件是聚變反應(yīng)堆中面壁的候選材料。但C/C復(fù)合材料與Cu兩者的熱膨脹系數(shù)相差很大，在冷卻過程中膨脹失配致使接頭產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力，容易導(dǎo)致連接失敗。針對膨脹失配問題，本文設(shè)計(jì)了添加Nb中間層的平直形界面結(jié)構(gòu)和圓錐形界面結(jié)構(gòu)兩種連接界面，采用有限元模擬方法分析界面應(yīng)力，并對分析結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下主要結(jié)論。

2、r>　　 有限元分析表明，對于16mm×16mm平直形連接界面，直接連接時(shí)，在棱邊上出現(xiàn)明顯的殘余熱應(yīng)力(σz)集中，σz最大值出現(xiàn)在距連接界面1.15mm的C/C復(fù)合材料棱邊上，呈拉應(yīng)力;添加Nb中間層后，σz最大值從C/C復(fù)合材料轉(zhuǎn)移到靠近Nb/Cu界面的中間層中，且隨中間層厚度增大而降低，當(dāng)中間層厚度增大到1mm時(shí)趨于平穩(wěn)。連接實(shí)驗(yàn)證實(shí)，接頭強(qiáng)度隨中間層厚度增大而升高，當(dāng)中間層厚度為1mm時(shí)，接頭平均強(qiáng)度達(dá)到37.39MPa。接

3、頭中共有五種反應(yīng)產(chǎn)物，分別為TiC、Nb2C，Ag(S.S)、Cu(S.S)和Cu4Ti3，其中在C/C復(fù)合材料/AgCuTi界面形成了厚度為1μm的呈連續(xù)分布的TiC反應(yīng)層，改善了對C/C復(fù)合材料的潤濕性。
　　 為進(jìn)一步降低接頭殘余熱應(yīng)力，設(shè)計(jì)了圓錐形界面結(jié)構(gòu)。有限元分析表明，圓錐形界面能將大部分殘余熱應(yīng)力轉(zhuǎn)移到填充圓錐的釬料中，減少近界面區(qū)C/C復(fù)合材料中的殘余熱應(yīng)力。連接實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)圓錐高度為2mm、圓錐直徑為3.2mm