哈工大：超快速高温冲击技术提升C/C复合材料与金属结合强度

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研究背景与挑战

C/C复合材料在制造复杂构件时面临的挑战主要源于其与金属的热膨胀系数不匹配，导致连接界面高残余应力，从而影响连接的强度和可靠性。传统表面改性方法效率低、损伤大，本研究通过UHS技术的表面选择性氧化，旨在克服这些缺陷。

创新方法概述

• 新型氧化处理
  基于UHS技术，利用直流电加热石墨毡，显著提高氧化效率，减少损伤。

• 控制氧化效果
  电流强度的调节允许对氧化深度进行精准控制，避免过度损伤。

• 提升结合强度
  UHS技术形成的氧化间隙为金属提供渗透通道，显著提高结合强度。

• 减轻残余应力
  填充渗透区的形成有效缓解热膨胀系数不匹配带来的残余应力。

实验结果分析

经过UHS处理，接头的剪切强度提升至25.3 MPa，是未经处理接头的1.9倍，表明该方法在提升C/C复合材料与金属连接性能方面的有效性。

• UHS技术的原理与优势
  UHS（超快高温冲击）技术是一种利用焦耳热进行快速加热的方法。在本研究中，通过将C/C复合材料放置在石墨毡上，并通以直流电，石墨毡迅速产生焦耳热，该热能随后传递至C/C复合材料，实现材料表面的选择性氧化。这一过程在秒级或毫秒级完成，相比传统马弗炉加热方法，极大地提高了加热效率。

图1. 实验流程示意图。

与传统的马弗炉加热方法相比，UHS 技术具有以下优势：

• 快速加热： 根据图2(b)展示的温度曲线，石墨毡的加热速率可达900–1500°C/s，远高于传统马弗炉的加热速率（约5–25°C/min），实现了快速升温。

• 热损伤小： 由于UHS技术加热速度快，冷却速度同样迅速，C/C复合材料在高温下的暴露时间大幅缩短，从而减少了热损伤。

• 能效高： UHS技术通过焦耳热直接对材料进行加热，相比传统方法，能显著降低能耗。

• 温度梯度控制： 通过调整与石墨毡的距离，可以在C/C复合材料表面形成非均匀的温度梯度场，实现选择性氧化（如图4所示）。

图 2. (a) 钎焊过程曲线；(b) 石墨毡的温度曲线。

图 4. (a) 选择性氧化过程的数字照片；(b) 距离石墨毡 3 mm、5 mm 和 10 mm 处 C/C 复合材料的温度；(c) 表面选择性氧化处理后 C/C 复合材料的重量损失率。

C/C复合材料的表面氧化行为

表面氧化形貌：如图3所示，随着电流的增加，C/C复合材料表面由光滑逐渐转变为形成环形氧化间隙。这些间隙的形成是由于碳基体在高温下的优先氧化，这一过程通过以下反应进行： 2 C + O 2 → 2 C O

图 3. C/C复合材料的表面形貌。(a) 原始状态；(b) 20 A电流处理后；(c) 30 A电流处理后；(d) 40 A电流处理后。

氧化深度控制：通过控制与热源的距离，可以精确控制氧化深度。如图5所示，远离热源的区域氧化程度较低，甚至没有明显的氧化间隙，表明UHS方法可以实现对大型构件的表面选择性氧化，而不会对整个材料造成过度损伤。

图 5. C/C复合材料在不同距离热源处氧化后的表面形貌。(a) 距离热源2毫米；(b) 距离热源5毫米；(c) 距离热源8毫米。

UHS技术对C/C复合材料性能的影响

微观结构变化：如图7和图8所示，经过UHS处理后，C/C-TC4接头处形成了不同深度的渗透区域，这是由于氧化间隙为填充材料的渗透提供了通道。这种微观结构的变化有助于提高接头的冶金结合强度。

图 7. 选择性氧化处理后C/C-TC4接头的微观结构。(a) 原始状态；(b) 经过20 A电流处理；(c) 经过30 A电流处理；(d) 经过40 A电流处理。

图 8. (a) C/C-TC4接头的典型微观结构以及 (b) 钛(Ti)、(c) 银(Ag)、(d) 铟(In)、(e) 碳(C)、(f) 铜(Cu)的元素分布。

机械性能提升：如图10所示，经过UHS处理的C/C-TC4接头展现了更高的剪切强度，峰值可达25.3 MPa，是未经氧化处理接头的1.9倍。这表明UHS技术通过改善界面结合显著提高了接头的机械性能。

图 10. 钎焊接头的剪切强度。(a) 采用新型UHS方法进行氧化；(b) 采用传统马弗炉进行氧化。

残余应力降低：如图13所示，有限元模拟结果表明，经过UHS处理后，接头处的残余应力得到了显著降低。这归功于填充金属渗透区域的形成，该区域起到了缓解热膨胀系数不匹配和阻碍裂纹扩展的作用。

图 13. C/C-TC4接头的残余应力分布。(a) 原始C/C；(b) 氧化后的C/C；(c) 白线沿线的米塞斯应力分布；(d) 界面放大区域。

图片说明

本研究成功验证了基于UHS技术的表面选择性氧化方法的有效性，为提高C/C复合材料与金属的界面结合强度提供了新思路，展现出重要的理论和应用价值。

中科精研的相关产品将进一步推动这一技术的应用，结合智能化的材料处理方案，能够显著提高生产效率与产品质量。其先进的表面处理技术，不仅能够满足高性能材料的连接需求，还为行业的创新发展提供了坚实的基础，助力新材料的研发和应用。

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