仿生竹壁结构中间层辅助Sivar钎焊工艺及其机理研究.pdfVIP

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

SiO/SiO复合材料具有优良的热震稳定性、透波性能和力学性能，实现其与

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Invar合金的连接对导弹天线罩的进一步发展具有重要意义。但SiO/SiO复合材

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料与Invar合金的热膨胀系数差异过大，导致接头产生较大残余应力。竹子依靠竹

壁中特定的纤维孔隙排布规律而具有较强的力学性能。本文以竹壁中孔隙的排布

特点为依据，制备了SiC仿生竹壁结构中间层（缩写为SiC），并将其引入SiO/SiO

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复合材料和Invar合金的钎焊接头。结合有限元模拟计算和试验结果，确定了中间

层最佳孔隙排布方式，探究钎焊工艺参数对仿生竹壁结构中间层辅助钎焊接头界

面组织和力学性能的影响，随后分析了仿生竹壁结构中间层对钎焊接头的增强机

理，最终获得了SiO2f/SiO2复合材料和Invar合金的高质量钎焊接头。

采用有限元方法对SiO/SiO复合材料和Invar合金钎焊接头的应力分布进行

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模拟，分析中间层均匀打孔时，孔隙数量和孔隙直径对接头应力的影响，确定最佳

孔隙直径为0.3mm。根据竹壁纤维孔隙排布规律函数，将中间层划分为4个区域，

设计了7种仿生竹壁结构中间层，当孔隙率与相对位置关系为

y=0.0325ex⁄0.193+1.6487时，钎焊接头中SiO2f/SiO2复合材料侧的应力最低，为335

MPa，接头抗剪强度最高达到32MPa，相比均匀打孔中间层钎焊接头的26MPa，

提高了23%，此时接头断裂位置由SiO2f/SiO2复合材料及界面反应层转变为

SiO/SiO复合材料母材近界面处。

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采用最佳孔隙排布的仿生竹壁结构中间层辅助钎焊SiO/SiO复合材料和

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Invar合金，接头典型界面组织为Invar/FeTi+NiTi+Ag(s,s)+Cu(s,s)

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/TiSi+TiC/SiC/TiC+TiSi/Ag(s,s)+Cu(s,s)/CuTiO+TiSi+TiO/SiO/SiO。SiC

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中间层受激光打孔的影响在孔壁形成少量SiO，此时孔壁与钎料界面反应层为

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SiC+TiC+TiSi+CuTiO，孔内组织结构为Ag(s,s)+Cu(s,s)。探究了钎焊工艺参

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数对接头组织结构和力学性能的影响，过高的钎焊温度和保温时间导致SiO/SiO

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复合材料侧界面反应层生长较厚，脆性的反应层受接头残余应力开裂，严重影响接

头性能。钎焊温度为900℃，保温时间为10min时，钎焊接头的抗剪强度最高达

到32MPa。

为进一步验证仿生竹壁结构中间层对SiO/SiO复合材料和Invar合金钎焊接