一種實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱絲與金屬基板連接的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱絲與金屬基板連接的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的散熱技術(shù)難以滿足日益增長電子元件的單位面積散熱量，且傳統(tǒng)散熱技術(shù)同樣很難滿足活動部件的散熱需求，故而人們迫切需要一種高導(dǎo)熱系數(shù)的柔性導(dǎo)熱材料來同時滿足導(dǎo)熱和易于熱管理設(shè)計的要求。碳材料具有很高的理論熱導(dǎo)率，通過設(shè)計可以制作定向高導(dǎo)熱的材料，且碳材料通過與其他材料復(fù)合能夠做成柔性材料。因而碳材料等成為了定向柔性導(dǎo)熱絲材料的首選。正是因?yàn)槎ㄏ蛉嵝詫?dǎo)熱絲良好的應(yīng)用前景，使得它與金屬的連接方式成為了人們必須考慮的問題。
[0003]當(dāng)前的傳統(tǒng)機(jī)械構(gòu)件的連接方式為鉚接和膠接技術(shù)。導(dǎo)熱絲的直徑很小，故而在連接導(dǎo)熱絲和金屬基板時，并不適合使用鉚接。而膠接技術(shù)由于導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱系數(shù)并未達(dá)到理想狀態(tài)，且仍然存在著較大的連接熱阻，使得導(dǎo)熱絲高效導(dǎo)熱的優(yōu)勢無法充分施展。由于碳或碳化物的熔點(diǎn)很高，因此不能采用熔化焊的方法來進(jìn)行焊接，只能采用其他特殊方法，如奸焊等。
[0004]釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。釬焊需要利用濕潤性和毛細(xì)力來將釬料鋪展開來，但是導(dǎo)熱絲(碳材料為主)屬于非金屬材料，與金屬液體的濕潤性差。且導(dǎo)熱絲的熱膨脹系數(shù)與大部分金屬基板的熱膨脹系數(shù)相差較大，導(dǎo)致接頭在冷卻過程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易在接頭連接界面或界面附近產(chǎn)生裂紋，從而引發(fā)接頭過早失效斷裂。再者，由于導(dǎo)熱絲為柔性材料，基材為剛性材料，目前的連接多為點(diǎn)焊或螺栓固定聯(lián)接，在使用過程中會不斷彎曲，故而接頭需要經(jīng)常承受彎曲應(yīng)力。若為一般的T型焊接接頭，焊料附著在導(dǎo)熱絲的外表面，無法過多承受彎曲應(yīng)力。
[0005]基于上述原因，我們迫切需要一種新的方式將導(dǎo)熱絲和金屬基板連接起來。
[0006]“張雷，曲文卿，莊鴻壽;碳纖維復(fù)合材料與金屬連接及接頭力學(xué)性能測試[J];材料工程，2008,38(1):141-147”提及:在進(jìn)行釬焊之前，一般采用預(yù)先在碳纖維復(fù)合材料上采用鍍敷、燒結(jié)、沉積等方法在表面上處理上一層金屬粉末，然后再進(jìn)行常規(guī)的釬焊。
[0007]“孫毅，碳纖維表面涂層制備研究[D];東北大學(xué)，2008”提到可以通過預(yù)先在碳纖維表面鍍一層金屬、陶瓷氧化物來解決碳纖維和金屬液濕潤性差的問題。
[0008]文獻(xiàn)“郭領(lǐng)軍，李賀軍，郭琛，等，用N1- Ti粉末做中間層連接C/C復(fù)合材料和GH3128鎳基高溫合金(英文)[J]，稀有金屬材料與工程，2011，12期(12)”則采用在碳纖維表面預(yù)先鍍上一層SiC涂層來改善了 C/C復(fù)合材料對N1-Ti中間層連結(jié)材料的潤濕性，而且在文獻(xiàn)中還提及SiC涂層可以有效緩解C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金連接界面因熱膨脹不匹配而造成的熱應(yīng)力。
[0009]綜上所述，為碳纖維表面預(yù)先涂覆金屬、難溶碳化物及陶瓷氧化物等特殊涂層，可改善金屬液在導(dǎo)熱絲表面濕潤性差的問題。而為了能更好地發(fā)揮碳纖維的高導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)勢，高導(dǎo)熱系數(shù)的涂層會被優(yōu)先考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的問題是:提供一種連接均勻、牢固、性能可靠、能發(fā)揮導(dǎo)熱絲高導(dǎo)熱優(yōu)勢的導(dǎo)熱絲與金屬基板的新型連接方法。
[0011]本發(fā)明基于現(xiàn)有技術(shù)問題，提出了一種碳纖維與金屬基板的連接方式，通過在金屬基板上提前加工坡口陣列，并將提前進(jìn)行表面涂層處理并均勻涂抹了含有膨脹粒子的特制釬焊膏的導(dǎo)熱絲置于坡口中，并利用金屬基板整體加熱的方式使得導(dǎo)熱絲涂抹的釬焊膏熔化后再凝固的方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱絲與金屬基板的無縫隙連接。這種連接方式，大大促進(jìn)了導(dǎo)熱絲代替在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用的可能性。
[0012]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下:
[0013]—種實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱絲與金屬基板連接的方法，包括以下步驟:
[0014]步驟a，將導(dǎo)熱絲待連接端進(jìn)行清潔，在導(dǎo)熱絲一端進(jìn)行表面涂層處理，覆著一層厚度在0.0l-1mm的涂層，所述涂層為SiC涂層、金屬涂層或陶瓷氧化物涂層;所述導(dǎo)熱絲由柔性定向高導(dǎo)熱材料制成；
[0015]步驟b，先配置含有膨脹粒子的釬焊膏，將導(dǎo)熱絲待連接端充分涂抹上含有膨脹粒子的釬焊膏，待含有膨脹粒子的釬焊膏固化后，將導(dǎo)熱絲置于金屬基板上直徑為5-8mm的坡口中；含有膨脹粒子的釬焊膏通過如下方法配置:選取釬焊膏和粒徑在0.0Ium-2um膨脹石墨為原料，將原料一起加入球磨儀，球磨攪拌分散均勻，得混合料，以質(zhì)量百分比計，膨脹石墨在混合料中的添加量為0制得含有膨脹粒子的釬焊膏；
[0016]步驟C，加熱至導(dǎo)熱絲連接端的釬焊膏中充分熔化，并保溫;冷卻至室溫。
[0017]為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，優(yōu)選地，所述導(dǎo)熱絲為碳纖維或石墨烯纖維。
[0018]優(yōu)選地，所述將導(dǎo)熱絲待連接端進(jìn)行清潔是先用砂紙打磨與金屬基板連接的導(dǎo)熱絲一端，導(dǎo)熱絲用無水乙醇在超聲波中清洗后烘干，烘干溫度為100-120°C。
[0019]優(yōu)選地，在于，所述金屬基板為銅板、不銹鋼板或鋁板，對應(yīng)的釬焊膏選擇HJCu-1銅釬焊膏、N1-T5V鎳釬焊膏或HJAl -1招釬焊膏。
[0020]優(yōu)選地，所述加熱為利用渦流作用的感應(yīng)加熱或高溫烘烤箱加熱；加熱的升溫速率為 10-15°C/min。
[0021]優(yōu)選地，所述SiC涂層通過如下方法制得:配置包埋滲料，用包埋滲料對與金屬基板連接的導(dǎo)熱絲一端進(jìn)行包埋，控制溫度為2000-2300°C，在氬氣氣氛中進(jìn)行包埋，保溫時間為l_3h，利用擴(kuò)散反應(yīng)在導(dǎo)熱絲表面生成表面涂層；所述包埋滲料為制備SiC涂層的原料。
[0022]優(yōu)選地，以質(zhì)量百分比計，所述制備SiC涂層的原料為將85%硅粉、5%碳粉和10%
二氧化三鋁。
[0023]優(yōu)選地，所述金屬涂層采用超高真空多靶磁控濺射系統(tǒng)在已清潔的導(dǎo)熱絲一端表面鍍金屬得到。
[0024]優(yōu)選地，所述保溫的時間為300 -1OOOs。
[0025 ] 優(yōu)選地，所述冷卻的降溫速率為4 -10 °C /min。
[0026]本發(fā)明通過表面處理在導(dǎo)熱絲上附著一層涂層來改善金屬液在導(dǎo)熱絲上濕潤性差的問題，可以采用包埋法在導(dǎo)熱絲連接端上覆上SiC涂層，或在連接端表面涂敷、燒結(jié)、沉積等方法表面處理一層金屬涂層、陶瓷氧化物涂層。在眾多功能相似的涂層中，優(yōu)先選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的涂層。涂層的厚度為0.01-1mm。
[0027]本發(fā)明含有膨脹粒子的釬焊膏是根據(jù)金屬基板的母材選擇不同的釬焊膏并添加膨脹粒子制成的，其中金屬基板可以為銅板、不銹鋼板、鋁板等金屬板材，則相應(yīng)的釬焊膏可以選擇HJCu-1銅釬焊膏、N1-T5V鎳釬焊膏、HJAl-1招釬焊膏等相應(yīng)型號的釬焊膏作為基底來制備含有膨脹粒子的釬焊膏。
[0028]其中，釬焊膏的配方除含有常見的釬料金屬作為釬焊粉料，還含有助焊劑及其他輔助添加劑，如膨脹粒子，可選用起始膨脹溫度適宜的膨脹石墨;其中含有膨脹粒子的釬焊膏的制備方法為將膨脹粒子粉碎為所需的粒徑大小，然后添加到根據(jù)金屬基板選擇的相應(yīng)型號的釬焊膏中，攪拌以確保膨脹粒子在釬焊膏中分散均勻。在使用過程中，通過加熱，釬料從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時，且達(dá)到膨脹粒子的膨脹溫度時，膨脹粒子迅速發(fā)生膨脹，膨脹體積在是膨脹粒子自身體積的50倍-200倍，使得熔融的釬料整體體積膨脹，而填滿坡口中的所有縫隙并趕出空氣，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱絲與金屬基板的無縫隙，且這種體積膨脹是不可逆的。