酚醛树脂焊接技术在碳/碳复合材料中的应用探析

1.采用钨酚醛树脂焊接碳/碳复合材料

（1）材料

1）母材。母材为碳毡/碳复合材料，采用化学沉积法制造，密度1.75g/cm³。

2）焊接材料。采用Q-913钨酚醛树脂，其700℃的残碳率为质量分数60%，钨含量为质量分数12%。

钨粉：粒径0.071mm（200目），纯度为质量分数95%。

六次甲基四胺。

（2）焊接工艺 将钨酚醛树脂溶入无水乙醇配成质量分数50%的溶液，加入质量分数12%的六次甲基四胺作为固化剂，再分别加入与其摩尔比为0∶1、0.25∶1、0.5∶1、1∶1的钨粉，充分搅拌均匀。将其分别涂抹在碳/碳复合材料表面，晾干后放入模具中，施加10MPa的压力，在200℃下固化2h，再在1500℃高温热压炉中进行碳/碳复合材料之间的焊接。

（3）接头力学性能 采用压剪法测定室温下接头的力学性能，图2-10为其示意图。

表2-2为试样经过不同温度焊接后接头室温下的抗剪强度。从表2-2可以看到：由于酚醛树脂对碳具有良好的润湿性和黏附性，因此对于前3种碳/钨摩尔比，经过200℃焊接后，都有较高的接头强度。但是当碳/钨摩尔比达到1∶1时，因为酚醛树脂的含量太低，酚醛树脂对碳的润湿性和黏附性大大下降，因此接头强度也大大下降。

但是碳/碳复合材料的重要用途是在高温下使用，因此其高温处理后的接头强度才是重要的。从表2-2中可以看到，在经过1500°C的焊接后，其接头强度下降。这主要是由于酚醛树脂逐渐碳化，体积急剧收缩，因此接头开裂。但是加入钨粉后，降低了酚醛树脂的收缩，在1400℃时发生W+C=WC反应，从而提高了接头强度。

图2-10 压剪法测定室温下接头的力学性能示意图

表2-2 不同温度焊接后接头室温下的抗剪强度

（4）接头组织 图2-11给出了碳/钨摩尔比为1∶0.25时经过不同温度焊接后连接界面上的X射线衍射图，可以看到，在焊接温度为200℃时，由于温度太低，界面还没有发生反应；而在焊接温度为1500℃时，由于温度升高，界面发生了反应，形成了WC，已经不存在自由W了。

图2-11 碳/钨摩尔比为1∶0.25时经过不同温度焊接后连接界面上的X射线衍射图

图2-12为碳/钨摩尔比为1∶0.25时经过200℃焊接的试样的电镜扫描组织图，从图2-12a可以看到，接头组织致密；从图2-12b可以看到接头中钨粉颗粒尺寸均匀、分布均匀，因此力学性能较高。图2-13为碳/钨摩尔比为1∶0.25时经过1500℃再加热后接头的组织形貌，从图2-13a可以看到，由于酚醛树脂的碳化和体积收缩，接头出现了缺陷，其接头抗剪强度也从24MPa降低到16.0MPa。(www.xing528.com)

图2-12 碳/钨摩尔比为1∶0.25时经过200℃焊接的试样的电镜扫描组织图

图2-13 碳/钨摩尔比为1∶0.25时经过1500℃焊接的试样的电镜扫描组织图

2.采用钼酚醛树脂焊接碳/碳复合材料

（1）材料和焊接工艺 所采用的材料和焊接工艺与上面完全一样，只是用钼代替了钨。

（2）接头力学性能 表2-3为试样经过不同温度焊接后接头室温下的抗剪强度。从表2-3可以看到：经过200℃焊接后，都有较高的接头强度。但是当碳/钼摩尔比为1∶0（即没有加钼）及1∶1时，因为前者没有加钼，接头没有强化相析出；或酚醛树脂的含量太低，酚醛树脂对碳的润湿性和黏附性大大下降，因此它们的接头强度也大大下降。

表2-3 不同温度焊接后接头室温下的抗剪强度

由于碳/碳复合材料的重要用途是在高温下使用，因此其高温处理后的接头强度才是重要的。从表2-3中可以看到，在经过1500°C的焊接后，其接头强度下降。这主要是由于酚醛树脂逐渐碳化，体积急剧收缩，因此接头开裂。但是加入钼粉后，降低了酚醛树脂的收缩，在1100℃发生2Mo+C=Mo₂C反应，从而提高了接头强度。

（3）接头组织 图2-14给出了碳/钼摩尔比为1∶0.50时经过不同温度焊接后连接界面上的X射线衍射图，可以看到，在焊接温度为200℃时，由于温度太低，界面发生了Mo+C=MoC反应；而在焊接温度为1500℃时，由于温度升高，界面发生了2Mo+C=Mo₂C反应，形成了Mo₂C，已经不存在MoC了，但是仍然有较高的接头强度。

图2-14 碳/钼摩尔比为1∶0.50时，焊接温度200℃和1500°C焊接后连接界面上的X射线衍射图

图2-15为碳/钼摩尔比为1∶0.5时经过1500℃再加热后接头的组织形貌，从图2-15中可以看到，由于酚醛树脂的碳化和体积收缩，接头出现了裂纹，其接头抗剪强度也从34.7MPa降低到13.30MPa。

图2-15 碳/钼摩尔比为1∶0.5时经过1500℃再加热后接头的组织形貌