碳纖維復合材料（包括碳／碳復合材料和碳／碳化硅復合材料）是指用碳纖維或石墨纖維為增強相，以碳化硅、石墨化的樹脂或用化學沉積的碳作為基體的復合材料。這種復合材料具有散熱快、溫度上升慢的特點，加上它耐高溫、質量輕、抗腐蝕、較低的線膨脹系數、尺寸穩定、抗熱振和抗燒蝕等有點，因此，特別適合于制造高速車輛及飛機的剎車系統、導彈頭、火箭的鼻錐和噴管喉襯、航天飛機的鼻錐和翼前緣以及透平引擎部位等部件。尤其是最近波音公司推出的新一代787客機，大量采用新型碳纖維復合材料，機身重量減輕，耗油量減少，整體機身的強度卻得到明顯加強。此外，由于其特別低的中子激活能、低的原子序數以及很高的熔點和升華溫度，因此還特別適合于制造核聚變反應堆中的部件。

       在外太空探測器和熱核反應堆中，碳纖維復合材料因強度高、質量輕、導熱性能出眾而在熱控制系統中得以應用，這使它與其它金屬的連接結構成為人們的必然考慮。由于碳或碳化物的熔點很高，因此不能用熔化焊的方法來進行焊接，只能采用釬焊或擴散焊等特殊辦法；碳纖維復合材料的線膨脹系數低于大多數金屬材料，接頭極易在熱應力作用下產生裂紋或斷裂；碳纖維復合材料加熱過程中會釋放出大量的氣體，嚴重影響焊接工藝過程和接頭質量，導致接頭中產生大量氣孔和裂紋。

       由于碳纖維復合材料屬于非金屬材料，釬焊非常困難，一般采用預先在碳纖維復合材料上采用鍍敷、燒結、沉積等方法在表面上處理上一層金屬粉末，然后再進行常規的釬焊。還有一種方法是根據Ti，Zr等金屬具有較大的活性，能夠與非金屬在高溫條件下發生反應，來實施的釬焊方法，稱為活性金屬方法，活性金屬法釬焊有三種方式：(1)將鈦或鋯以墊片方式直接放在碳纖維復合材料間進行釬焊；(2)將鈦或鋯的細粉或鈦或鋯的氫化物，預先涂在待連接面上，再放上釬料進行釬焊；(3)用含鈦和鋯的活性釬料直接進行釬焊。含鈦的釬料都比較脆，難以加工成形，常常做成雙層或多層釬料。如Cu- Ti釬料制成雙金屬片，銀銅鈦釬料制成以鈦為芯，外包復銀銅合金的絲狀等。含鈦的釬料還常常制成粉末狀使用。活性金屬法的缺點是，釬焊時對真空度和保護氣氛的純度要求很高。釬焊真空度應不低于10-3 Pa。

       碳纖維復合材料由于制備周期長、工藝復雜、成本高等因素，應用范圍僅限于軍事、高科技等領域，其與銅、鈦等金屬的連接技術研究也僅僅局限在國內外部分科研單位。目前，關于這方面的資料尚不多見。本工作就該領域近些年來所取得的最新研究進展，作了系統總結介紹。

1  碳纖維復合材料與銅的連接

       熱控制系統在航天領域和核工業工程中有著重要的應用，它的設計和制造經常要用到碳或碳纖維復合材料與銅之間的連接。這是因為，碳纖維復合材料與銅的連接結構不但具備良好的導熱性能，而且，相對于單純的銅結構來說，大大降低了結構重量；此外，由于兩種材料導熱系數相近，在釬焊和使用過程中，不會導致較大熱應力的產生。

       其中，碳／碳復合材料與銅主要采用釬焊進行焊接，50%（質量分數）Cu- Pb最早被用來作為釬料[21，在710°C釬焊冷卻后，釬料與復合材料、銅形成連續的連接界面，但是強度不是很高。后來，人們發現，Ti，Zr等過渡元素，具有很強的化學活潑性，在液態時能與碳元素發生反應。添加少許的活性元素制成的活性釬料，可以直接潤濕碳／碳復合材料的表面并完成與其它金屬的連接。活性金屬釬料法釬焊需要在真空爐或高純度惰性氣氛中進行，通常一次即可完成釬焊連接。

       近年來，銀基、銅基活性釬料已經開始商業生產，并應用在碳／碳復合材料或陶瓷基復合材料與銅的連接上，見表1。比如，  Cu-ABA  (92.  8Cu-3 Si-2Al-2. 25 Ti)已經用來釬焊碳／碳復合材料與無氧銅。釬焊前，首先用超聲波清洗材料約十分鐘，將0. Imm或0. 2mm厚的釬料箔放入試樣中間，在試樣頂部向下施加6 X10-3 MPa的壓力，以450°C/h的速度加熱，在970°C和980°C保溫0.1h，釬焊溫度約為1030℃，真空度不低于2 X10-3 Pa，快速冷卻到900℃，其后冷卻速度降為180°C/h。碳／碳復合材料與銅可以形成很好的冶金結合，無任何氣子L和微裂紋。

       利用15Cu-1 SNi- 70 Ti.68.  8A g-26.  7Cu-4.5 Ti.63Ag-34.  3Cu-1 Sn-1.75 Ti．也可以獲得碳／碳復合材料與Cu的良好界面‘4]。其中，Ag- Cu- Ti是一種活性釬料，在真空下進行釬焊，釬焊溫度選在820℃左右，可以獲得較高強度的接頭；但由于在核輻射下Ag會轉變成Cd，使接頭性能下降，因此含Ag的這種接頭不能用在核聚變裝置中。用Ti作釬料可解決該問題。Ti作釬料釬焊銅和碳／碳復合材料時，可采用共晶擴散工藝，通常在真空下進行，典型焊接參數為：T=1000°C．t=300s，最好在試樣上加一定的壓力。研究表明，在同樣的焊接條件下，直接在碳／碳復合材料與銅之間插入Ti箔進行擴散釬焊時，接頭強度較低；對碳／碳復合材料表面進行預鍍處理后，接頭強度較高；而采用預涂Cu- Ti膏后，接頭強度最高。

       用49 Ti-49Cu-2Be[5]釬料連接低密度的碳／碳復合材料與銅時，首先要在復合材料的表面涂上一層有機材料（如樹脂等），在1600°C高溫的真空或氬氣保護環境里使有機材料發生碳化，提高復合材料表面碳層的密度，防止釬料熔化后滲入；然后將釬料以焊膏的形式涂在復合材料的表面，在真空條件下加熱至980°C，保溫5 min，所得接頭強度遠遠高于母材強度。值得指出的是，這種釬料還適合連接低密度的碳／碳復合材料與鋼或者陶瓷。

       ITER分流裝置中的熱管為了具備高強度和高導熱性，通常是由最外層碳／碳復合材料包覆著銅合金。Pietro．Appendino通過對碳／碳復合材料表面改性，直接將銅澆鑄在表面。他認為，選用的VIB元素(如Mo，W，Cr)很容易與碳生成碳化物，而這些類似金屬的碳化物易于被熔化的銅所潤濕；各元素對復合材料  表面改性后，銅的潤濕效果也不同。

資料下載：   碳纖維復合材料與金屬連接及接頭力學性能測試.pdf