碳/碳复合材料（C/C composites）因其优异的力学性能、低密度和高温稳定性，在航空航天、核能等高端领域得到广泛应用。然而，C/C复合材料与金属的连接问题一直是制约其应用的关键技术瓶颈。传统的连接方法如钎焊、扩散连接、铆接和粘接等，存在诸多不足，如铆接可能损伤复合材料纤维，粘接在高温和氧化环境下性能下降，而扩散连接则需要高温高压环境。因此，开发一种新型的连接技术，实现C/C复合材料与金属间高效、可靠的连接，具有重要的理论和实际意义。
本研究提出了一种新颖的表面改性和连接方法——超快高温冲击（UHS）技术，利用焦耳加热效应实现C/C复合材料与TC4合金间的界面连接。该技术通过C/C复合材料的表面选择性氧化和随后的超快连接，在极短的时间内分别完成，有效提高了连接效率。研究中，通过表面选择性氧化在C/C复合材料表面形成环形间隙，增加了填充合金与基材的接触面积，同时抑制了裂纹的传播。焦耳加热诱导的非平衡温度场，使得填充合金熔化，并通过热传导促进界面连接。特别值得注意的是，TC4金属的热膨胀系数（CTE）显著高于C/C复合材料，通过UHS技术，有效实现了热膨胀匹配，缓解了C/C-TC4异质结构中的残余应力。
图1展示了C/C复合材料表面选择性氧化的过程。通过将C/C复合材料夹持于直流电源，施加直流电流，在空气中快速焦耳加热和表面氧化。随着电流的增加，表面温度迅速上升，形成了可见的黄光，表明了材料表面温度的显著提高。
图2展示了C/C复合材料在不同电流（0 A, 40 A, 50 A, 60 A, 70 A）下进行表面选择性氧化后的表面形貌。
图3(a) 展示了在选择性氧化过程中温度随时间的变化曲线。3(b) 显示了在不同电流下进行表面选择性氧化所需的加热功率。3(c-g) 可能是在不同电流下进行超快氧化过程的数字照片，展示了C/C复合材料在氧化过程中的实际外观，如发出的黄光等。
图4(a) 展示了在UHS连接过程中温度随时间的变化曲线。4(b) 显示了在连接过程的第20秒时C/C复合材料和TC4合金的表面温度。4(c-g) 是在不同电流下进行UHS连接过程的数字照片，展示了连接过程中材料的外观和温度变化。
图5展示了在不同电流（40 A, 50 A, 60 A, 70 A）和时间（20 s）条件下形成的C/C-TC4接头的微观结构。图像揭示了焊缝区域的微观组织，如晶粒大小、相分布以及可能的缺陷。
图6(a) 和 (b) 展示了在50 A和60 A电流下C/C-TC4接头的微观结构和元素分布。6(c) 钎焊接头的X射线衍射（XRD）图谱，用于分析接头区域的相组成。
图7展示了接头微观结构演变的机制，包括不同阶段材料相变和组织发展的过程。
图8展示了不同连接方法下C/C-TC4接头的剪切强度对比。结果表明，采用UHS技术连接的接头剪切强度最高，达到了31.7 MPa，是传统连接方法的2.4倍。
图9展示了C/C-TC4接头在TC4侧的断裂形貌，其中(a–c)为经过表面选择性氧化处理的接头，而(d–f)为未经此处理的接头，对比显示了表面处理对断裂特性的影响。
图10(a) 和 (b) 可能展示了C/C-TC4接头的断裂机制，其中(a)为采用表面选择性氧化的UHS连接方法，而(b)为在真空炉中直接连接而不进行表面选择性氧化。
图11展示了C/C-TC4接头的残余应力分布。通过有限元模拟，发现UHS连接过程中形成的非平衡温度场有效降低了残余应力。
图12阐述了UHS连接过程中的强化机制。由于TC4金属的温度显著低于C/C复合材料，其热膨胀受到限制，而C/C复合材料的高温导致较大的收缩，从而有效减少了由于CTE不匹配引起的残余应力。
本研究通过焦耳加热C/C复合材料，实现了表面选择性氧化和超快高温冲击（UHS）连接，取得了显著的研究成果。以下是具体的结论：
(1) 焦耳加热使C/C复合材料在50A电流下迅速升温至1164°C，加热速率超过80°C/s。在空气中进行的选择性氧化过程中，碳基体被优先氧化，而碳纤维基本保持不变，这在C/C复合材料表面形成了环形间隙。
(2) 本研究提出了一种新型的超快高温冲击连接方法。通过这种方法诱导形成的非平衡温度场，不仅显著提高了连接效率，而且通过热传导实现了填充合金的熔化和界面连接。特别是，TC4合金的温度显著低于C/C复合材料。
(3) 在50A电流下，20s内C/C-TC4接头的异质界面未观察到可见裂纹或未焊合缺陷。当电流达到50A时，填充材料渗透到氧化产生的环形间隙中，形成了固定结构，有效增加了填充材料与C/C复合材料之间的接触面积，并抑制了裂纹的扩展。
(4) 利用新型UHS方法，接头的剪切强度达到了31.7MPa，是传统真空炉直接连接方法的2.4倍。这归因于TC4（CTE约为9.5×10^-6 K^-1）的温度显著低于C/C复合材料（CTE约为1.5×10^-6 K^-1），由于冷端的自我限制效应，抑制了TC4在异质界面附近的膨胀。有限元模型的结果显示，残余应力减少了12.3%。
综上所述，本研究的UHS连接技术不仅显著提高了C/C复合材料与TC4合金连接的效率和质量，而且通过非平衡温度场实现了热膨胀系数的匹配，有效降低了残余应力，提高了接头的力学性能。这些成果为C/C复合材料与金属的连接提供了一种创新、高效的解决方案，有望推动C/C复合材料在高端应用领域的进一步发展。
Jingkang Zhang, Yaotian Yan, Zilong Zhang, Yong Xia, Zhenyu Ye, Bin Wang, Peixin Li, Pengcheng Wang, Jinghuang Lin, Hassaan A. Butt, Dmitry V. Krasnikov, Albert G. Nasibulin, Jinchun Tu, Jian Cao, Junlei Qi. Achieving interfacial thermal expansion matching between C/C composites and metal through ultrafast high-temperature shock (UHS). Ceramics International, 2024.
DIO：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.05.025.
