本发明涉及到钎焊领域中通过表面改性提高碳纤维增强复合材料与金属钎焊接头强度的方法，更具体地讲，涉及到一种通过预氧化过程在碳纤维增强复合材料表面形成微观孔洞以降低钎焊接头残余应力并增加有效连接面积的方法，这两方面共同提高钎焊接头的强度。
背景技术：
碳纤维增强复合材料具有密度低，弹性模量高、比强度大、热胀系数低、耐腐蚀、吸震性好、摩擦性好、热导率高等优越的性能，另外其高温性能同样优异，如耐高温、耐烧蚀、抗热震及热疲劳性好，在超过2000℃时仍具有较高的强度和韧性等。因此，碳纤维增强复合材料被认为是十分理想的高温结构材料，并在航空航天领域以及国际核实验反应堆的装甲材料中有所应用。然而，由于其自身制造工艺的限制，难以制备尺寸大且形状复杂的构件，而且生产周期长，成本高，在很大程度上限制了其应用，因此考虑将其与金属进行连接，以便于扩大其应用领域。
目前，碳纤维增强复合材料与金属的连接被广泛研究，尤以钎焊为主。然而，由于碳纤维增强复合材料与金属的热膨胀系数差异较大，焊后冷却过程中，金属、钎料以及碳纤维增强复合材料收缩程度各不相同，使得钎焊接头中尤其在碳纤维增强复合材料侧存在较大的残余应力，这将大幅降低接头的力学性能，使连接构件难以满足应用要求。虽然已有通过在碳纤维增强复合材料表面机械加工的方法来缓解残余应力，但自身都存在不足，如采用激光刻槽的方法，其成本较高，且控制相对复杂；而采用机械打孔，其均匀性相对较差，造成整个接头强度不均匀。因此，提出一种新的缓解接头残余应力，改善接头强度的工艺方法具有很好的现实意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术在改善接头强度方面的不足，而提供一种增加碳纤维增强复合材料与钎料接触面积，并降低残余应力的方法，即采用加热气相氧化处理使碳纤维增强复合材料表面产生均匀微观孔洞的方法，改变碳纤维增强复合材料表面形貌，从而改善钎焊接头的强度。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
一种提高碳纤维增强复合材料与金属钎焊接头强度的方法，按照下述步骤进行：在700℃～800℃温度范围对碳纤维增强复合材料表面进行氧化处理，以使在碳纤维周边形成环状孔洞；然后将氧化处理的碳纤维增强复合材料、钎料和金属板按照三明治式结构装配，并以石墨盘夹持，保证紧密接触，将其置于真空钎焊炉中并抽真空，在炉内压强达到8～9×10-4mpa后，以5—10℃/min的升温速率自室温20—25摄氏度升至高于钎料熔点20—150摄氏度的温度并保温进行钎焊，再以5～10℃/min的降温速率降至室温20—25摄氏度即可。
在上述技术方案中，以5—10℃/min的升温速率自室温20—25摄氏度升至高于钎料熔点50—100摄氏度的温度并保温5—20min进行钎焊，再以5～10℃/min的降温速率降至室温20—25摄氏度。
在上述技术方案中，焊前对试样进行表面清理，使用砂纸打磨至800#，并用清洗剂超声清洗5～10min，自然晾干。
在上述技术方案中，氧化前将碳纤维增强复合材料用砂纸打磨至800#，然后在马弗炉等非保护气型电阻炉中进行氧化处理。
在上述技术方案中，对碳纤维增强复合材料表面进行氧化处理的时间为5～10min。
在上述技术方案中，在700℃～800℃温度范围对碳纤维增强复合材料表面进行氧化处理，碳纤维周围的部分热解碳被消耗，而碳纤维极少被消耗，从而在碳纤维周边形成环状孔洞，其宽度约1～2μm。
在上述技术方案中，根据钎料的选用原则，如保证润湿性，钎料与母材的扩散作用，熔化温度合理性等选择适当的钎料，根据以上原则，选用含钛的银基或铜基钎料。
碳纤维增强复合材料氧化处理在提高碳纤维增强复合材料与金属钎焊接头强度中的应用，在700℃～800℃温度范围对碳纤维增强复合材料表面进行氧化处理，以使在碳纤维周边形成环状孔洞。
本发明通过焊前对碳纤维增强复合材料进行表面氧化处理形成环状孔洞，钎料浸渗到碳纤维增强复合材料的孔洞中，使碳纤维增强复合材料与钎料的接触面积增加以致反应层面积增加，而且碳纤维增强复合材料与金属钎料以及金属母材界面之间因热膨胀系数的差距造成收缩不一致所产生的残余应力通过碳纤维增强复合材料与钎料相互交错的部分(如图2b、c和d所示)发生微小的变形而得以释放，从而降低接头残余应力，从而改善了接头的强度。
附图说明
图1是原始碳碳复合材料及700℃、750℃、800℃温度下保温5分钟氧化后的表面形貌的sem图片。
图2是原始碳碳复合材料及700℃、750℃、800℃氧化后钎焊温度为880℃保温10min的微观界面形貌的sem图片。
图3是原始碳碳复合材料及700℃、750℃、800℃氧化后钎焊接头的抗剪强度图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作以下详细描述。
实施方式一：
钎焊实验采用3d的碳碳复合材料(购自长沙博云新材料有限公司，作为碳纤维增强复合材料使用，碳纤维和热解碳组成)、厚100μm的ag-21cu-4.5ti(21wt％cu、4.5wt％ti、剩余为ag，合计为100wt％)箔片(作为钎焊焊料)和纯nb板(纯度>99.9％，作为金属板)。碳碳复合材料尺寸为4mm×4mm×6mm，氧化之前用sic砂纸打磨至800#，然后在马弗炉中以10℃/min的升温速率升至700℃、750℃、800℃后将材料装进方舟置入炉内并保温5min以进行氧化处理，碳碳复合材料分为不作处理和分别在700℃、750℃、800℃保温5min处理共四组。ag-21cu-4.5ti箔片剪成尺寸为4mm×4mm×6mm，nb板尺寸为15mm×10mm×2mm,同样用sic砂纸打磨至800#，之后，将所有试样在丙酮清洗剂中超声清洗十分钟并自然晾干，然后将四组试样按照三明治样式装配并用石墨盘夹持，置于真空钎焊炉中并抽真空，待炉内压强达8.8×10-4pa后，以10℃/min的升温速率升至880℃保温10min,之后以5℃/min的速度降至500℃，再随炉降至室温，最后取出。
碳碳复合材料不同温度氧化后微观形貌如图1所示，在各图的截面上可以看到两个碳纤维编制方向，左侧为平行于表面，右侧垂直于表面，在经过不同温度的氧化处理后，碳纤维周围填充的热解碳被部分氧化消耗，形成环状孔洞，并且随着温度的升高碳纤维周围的环形孔洞的大小以及深度都在增加。
焊后对试样进行切割并进行镶嵌以及砂纸打磨和抛光，处理后的试样，采用扫描电镜(sem；nanosem430)观察不同氧化条件下焊后试样的微观形貌，如图2所示，在图2a和b的局部放大图中可以看到碳碳复合材料与钎料界面处形成了反应层，根据能谱数据得出其由tic构成。对比图2a,b,c和d发现，随着氧化程度的增加，钎料浸渗到碳碳复合材料微孔洞的长度和量均增加，这使得碳碳复合材料和金属钎料之间的接触面积增加，tic反应层的面积也在增加。除此之外，碳碳复合材料与金属钎料的界面存在碳纤维与浸入的钎料相互交错的层，这部分相比碳碳复合材料母材的平整界面更易于产生微小的变形，从而减小残余应力，综合这两个方面，可以达到改善接头强度的目的。
试样的抗剪强度测试在condor150推拉测试机进行，其结果如图3所示，强度均是由三个试样计算得到的平均值。未氧化的碳碳复合材料与金属的钎焊接头的平均强度在35mpa左右，随着氧化程度增加，接头强度在逐步提高，这与微观界面的分析相吻合。在800℃保温5min条件下氧化后的接头平均强度达到55mpa，相比未氧化提高了57％。
实施方式二：
本实施方式与具体实施方式一不同的是碳碳复合材料改为碳/碳化硅复合材料(购自长沙博云新材料有限公司，作为碳纤维增强复合材料使用，碳纤维和碳化硅组成)。其它与具体实施方式一相同。
经过剪切测试，800℃保温5min条件下氧化前后的接头抗剪强度分别为82mpa和135mpa，强度提高了65％。
具体实施方式三：
本实施方式与具体实施方式一不同的是nb板改为tc4板，其它与具体实施方式一相同。
经过剪切测试，800℃保温5min条件下氧化前后的接头抗剪强度分别为31mpa和48mpa，强度提高了55％。
具体实施方式四：
本实施方式与具体实施方式三不同的是碳碳复合材料改为碳/碳化硅复合材料。其它与具体实施方式三相同。
经过剪切测试，800℃保温5min条件下氧化前后的接头抗剪强度分别为88mpa和146mpa，强度提高了54％。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。