一种快速连接碳化硅的方法

本发明属于碳化硅材料的连接，具体涉及一种快速连接碳化硅的方法。

背景技术：

1、碳化硅(silicon carbide，sic)是一种无机物，用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成。由于其优异的高温力学性能、化学稳定性和显著的抗辐照损伤性，是先进核能系统、航空航天和第三代半导体应用的候选材料之一。然而，由于其机械加工性差，常规工艺很难制造出形状复杂形状或大尺寸的sic基部件。通过连接技术制备大尺寸、复杂形状碳化硅构件是目前较为有效的技术方案。

2、目前连接碳化硅常用的设备有真空电阻炉、热压炉、放电等离子烧结炉等。热压炉和放电等离子烧结炉一次只能加工一个样品，且需要在压力的作用下进行，无法应用于复杂形状碳化硅的连接，且连接设备过于复杂，极大地增加了连接成本。因此在实际工业化生厂中，常采用真空电阻炉无压连接碳化硅，但由于其极慢的升降温速度，连接周期一般在5小时以上，极大的降低了生产效率。因此，亟需发明一种无需额外压力、连接周期短、连接设备简单的碳化硅连接技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种快速连接碳化硅的方法，采用快速焦耳加热技术，升降温速率极快，连接周期极短，可应用于复杂形状碳化硅的连接。

2、本发明技术方案中快速连接碳化硅的方法，包括以下步骤：在两件待连接的碳化硅材料中间设置中间层，再将夹有中间层的两件待连接的碳化硅材料置于两件发热材料之间，且碳化硅材料与发热材料接触，发热材料与电源的电极相连形成回路，通电后进行连接。

3、上述快速连接碳化硅的方法中，通电后发热材料会很快产生大量焦耳热，通过热传导和热辐射作用，使碳化硅材料的温度瞬间升高，在中间层的作用下实现碳化硅材料的快速连接。

4、进一步地，中间层全部覆盖两件待连接的碳化硅材料界面。

5、进一步地，中间层为金属箔、金属膜、陶瓷膜、复合材料膜中的一种或多种。

6、进一步地，中间层的厚度为0.1～500μm，优选为1～30μm。

7、进一步地，金属箔为al、ti、fe、go、ni、cu、zr、mo、ag、w、pt、au箔以及稀土金属箔中的一种或多种；所述的稀土金属箔包括但不限于y、la、ce、pr、nd、sm、gd、tb、dy、ho、er、tm中的一种或多种。

8、进一步地，金属膜是采用真空蒸镀、电弧离子镀、物理气相沉积、化学气相沉积、喷涂或者金属粉浆料涂覆中的任一种方式在碳化硅材料的连接处的表面制备形成。

9、进一步地，金属膜为al、ti、fe、go、ni、cu、zr、mo、ag、w、pt、au粉以及稀土金属膜中的一种或多种；所述的稀土金属膜包括但不限于y、la、ce、pr、nd、sm、gd、tb、dy、ho、er、tm中的一种或多种。

10、作为优选，金属粉浆料是将金属粉分散于乙醇或丙酮中得到。

11、进一步地，陶瓷膜是由陶瓷粉流延成膜或采用物理气相沉积、化学气相沉积、真空蒸镀、电弧离子镀、喷涂、陶瓷粉浆料涂覆中的任一种方式在碳化硅材料的连接处表面得到。

12、作为优选，陶瓷粉流延成膜是将陶瓷粉与预混液球磨混匀得到浆料，浆料流延至基带上，40～100℃干燥10～30h后，以1～5℃/min的升温速率升温至500～1000℃排胶1～5h；预混液包括以下质量份数的组分：3～10份聚乙烯亚胺、5～20份聚乙烯醇、2～10份聚乙二醇、30～50份丙烯酰胺和1～5份n,n’-亚甲基双丙烯酰胺和150～300份去离子水；球磨转速为300～800rpm/min，时间为3～10h；流延时控制浆料流出速度为10～30ml/min，刀口与基带的距离为30～100μm。

13、作为优选，陶瓷粉浆料是将陶瓷粉分散于乙醇或丙酮中得到。

14、作为优选，陶瓷粉包括但不限于re3si2c2粉、max相、mxene粉、金属氧化物粉以及纳米碳包覆硅粉中的一种或多种。

15、所述的re3si2c2粉中re为稀土金属，所述的re包括但不限于la、ce、pr、nd、sm、gd、tb、dy、ho、er、tm中的一种或多种。

16、所述的max相包括但不限于碳化硅钛(ti3sic2)、碳化铝钛(ti3alc2)、铝碳化二钛(ti2alc)、铝碳化二钒(v2alc)、铝碳化二铬(cr2alc)、锗碳化四铌(nb4gec3)、三铝碳化锆(zr3al3c5)、四铝碳化锆(zr2al4c5)中的一种或多种。

17、所述的mxene粉包括但不限于ti3c2、ti2c、v2c、cr2c、nb4c3、zr3c5、zrc5中的一种或多种。

18、所述的金属氧化物粉包括但不限于al2o3、y2o3、er2o3、cao、sro、sc2o3、la2o3中的一种或多种。

19、进一步的，复合材料膜包括不限于aln-y2o3、sio2-al2o3-y2o3、cao-al2o3-sio2、cao-al2o3-sio2-li2o、mgo-al2o3-sio2、na2o-b2o3-sio2、re2o3-al2o3-sio2(re＝sc、yb、ho、dy、y、nd中的一种或多种)、聚碳硅烷、聚硅氧烷中的一种或多种。

20、进一步地，所述的碳化硅材料包括但不限于碳化硅陶瓷材料、碳纤维增强碳化硅复合材料、碳化硅纤维增强碳化硅复合材料、碳化硅晶须增强碳化硅复合材料、碳化硅增强钛硅碳复合材料、碳化硅晶须增强钛硅碳复合材料以及碳化硅纤维增强钛硅碳复合材料中的一种或多种。

21、作为优选，碳化硅材料连接前，对其表面进行打磨、抛光，并用酒精及去离子水洗涤，以去掉表面杂质和污染物。

22、进一步地，发热材料为导电性材料。

23、进一步地，发热材料为碳材料、金属材料、金属复合材料中的一种或多种；所述碳材料包括但不限于碳布、碳纸、碳毡、碳纤维编织体中的一种或多种；所述金属材料、金属复合材料包括但不限于锡箔纸、镍箔纸、铜箔纸、银箔纸、钛箔纸以及铝镍合金、铜镍合金、铝钛合金箔纸中的一种或多种。

24、进一步地，通电的电流形式为脉冲电流、直流、交流中的任一种。

25、进一步地，通电时的电流为1～100a，电压为1～100v。

26、进一步地，上述快速连接碳化硅的方法中连接时间为0.1～600s。

27、进一步地，上述快速连接碳化硅的方法中发热材料表面温度瞬间可达到500～2500℃。

28、本发明还提供一种碳化硅连接件，由上述快速连接碳化硅的方法连接得到。

29、进一步地，上述碳化硅连接件由两块碳化硅材料和位于两块碳化硅材料中间的中间层组成。

30、进一步地，上述碳化硅连接件中连接界面的抗剪切强度大于100mpa。

31、相比现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：

32、(1)以发热材料为热源，接通电源后发热材料快速产生大量焦耳热，通过热传导和热辐射使碳化硅温度瞬间升高，在中间层的作用下，实现碳化硅的快速连接；

33、(2)本发明快速连接碳化硅的方法，升降温速率极快，连接周期极短，可应用于块体、板状、棒状等任意复杂形状碳化硅的连接；

34、(3)本发明快速连接碳化硅的方法，无需施加任何压力，中间层可供选择范围极其广泛，操作简单；

35、(4)使用本发明快速连接碳化硅的方法连接后的碳化硅，界面结合良好，抗剪切强度与本身强度相当，具有极为广泛的应用前景。