Invar表面生長石墨烯及與SiO2-BN釬焊工藝及機(jī)理研究.pdf

1、SiO2-BN是導(dǎo)彈天線罩的主要材料，Invar合金具有容易加工成型等優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)彈天線罩過渡環(huán)的主要材料，在工程中通常要連接二者充分發(fā)揮各自的優(yōu)異性能。目前利用活性釬料對(duì)二者進(jìn)行釬焊連接是比較普遍的焊接方法。但是焊接時(shí)Invar中的Fe、Ni元素會(huì)向焊縫中溶解并與Ti元素反應(yīng)生成大面積的脆性化合物帶，焊縫中較多化合物會(huì)對(duì)釬焊接頭的塑性變形能力產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致釬焊接頭有較大的殘余應(yīng)力甚至出現(xiàn)裂紋。石墨烯作為新型二維材料，厚度很薄并且垂直于

2、基體生長的石墨烯有較高的化學(xué)活性，與Ti元素有很好的親和力。本課題首先在Invar表面垂直生長少層石墨烯，一方面阻隔Fe、Ni元素向液態(tài)釬料中的過度溶解，另一方面與活性Ti元素反應(yīng)，避免接頭界面中出現(xiàn)大面積的Fe-Ti、N i-Ti脆性化合物帶，增加接頭的塑性變形能力，緩解接頭殘余應(yīng)力，提高力學(xué)性能。
　　本文采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）方法在Invar合金表面原位垂直生長少層石墨烯，探索出生長石墨烯的最佳工藝參數(shù)：

3、生長溫度為800℃，氣體流量比CH4:Ar=20:80，混合氣體總壓強(qiáng)為900Pa，射頻功率為200W，生長時(shí)間為60min。采用拉曼光譜對(duì)少層石墨烯進(jìn)行表征，通過對(duì)ID/IG以及I2D/IG的比值分析，表明最優(yōu)工藝參數(shù)下制備的石墨烯，層數(shù)較少且缺陷較少。TEM結(jié)果表明制備的少層石墨烯呈透明狀，尺寸為納米級(jí)，選區(qū)電子衍射結(jié)果表明制備的少層石墨烯具有多晶石墨的特征，HRT EM結(jié)果表明，制備的少層石墨烯層數(shù)約為6~8層，原子層面間距為0.

4、34nm，與多晶石墨的原子面間距相符。綜合拉曼光譜、TEM及HRT EM的結(jié)果，最優(yōu)生長工藝下成功制備出了原子層數(shù)為6~8層、缺陷較少的少層石墨烯。
　　利用AgCuTi釬料對(duì)原位垂直生長石墨烯的Invar合金（記為Invar-G）進(jìn)行潤濕實(shí)驗(yàn)，研究了AgCuTi/Invar-G體系界面組織結(jié)構(gòu)隨保溫溫度變化的演變規(guī)律。利用AgCuTi釬料釬焊Invar-G與SiO2-BN復(fù)合陶瓷，分析了釬焊接頭典型界面組織，探究了焊接工藝參數(shù)對(duì)

5、Invar-G/SiO2-BN界面組織演變以及接頭力學(xué)性能的影響，最佳焊接工藝參數(shù)為：保溫溫度T=860℃，保溫時(shí)間t=10 min，該工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的最佳抗剪強(qiáng)度為25MPa，隨著釬焊溫度的升高、保溫時(shí)間的延長，焊接接頭抗剪強(qiáng)度均先增加后減少。與未生長石墨烯的Invar/SiO2-BN接頭界面組織相比，生長石墨烯后界面中大面積的脆性化合物帶消失，F(xiàn)e2Ti+N i3 Ti呈小塊狀相彌散分布在界面中，抗剪強(qiáng)度由21MPa提高到25MPa，

6、斷裂位置均發(fā)生在SiO2-BN母材上，斷口形貌差別不大。
　　保溫溫度860℃、保溫時(shí)間10min時(shí)，Invar合金自身釬焊界面中，添加石墨烯后Fe2Ti+Ni3Ti含量顯著下降，接頭抗剪強(qiáng)度由未生長石墨烯的163 MPa提高到205MPa。通過Invar合金的自身釬焊，證實(shí)了Invar合金表面生長石墨烯的確能夠抑制Fe-Ti、N i-Ti脆性化合物的大量生成，優(yōu)化界面組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高接頭力學(xué)性能。通過熱力學(xué)計(jì)算了C、Fe、Ni