C/C復(fù)合材料連接技術(shù)研究進(jìn)展

1. 引言

碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料（C/C）具有高溫環(huán)境下的適用性，能夠承受高達(dá)2800°C的極端溫度。碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料（C/C）展現(xiàn)了出色的抗熱沖擊性能，在極端高溫條件下仍能保持其機(jī)械強(qiáng)度。它們還具備高導(dǎo)熱性和低密度特性。最初，這些材料被用于核聚變 ITER 分流器裝甲中的等離子體面向材料。然而，由于一些限制因素，如高氚保留、在強(qiáng)熱通量下纖維的嚴(yán)重腐蝕，以及熱誘導(dǎo)應(yīng)力可能破壞纖維的完整性，它們最終被鎢所取代。隨后，這些材料與銅合金散熱器結(jié)合，以確保有效的散熱，特別是在 ITER 中的核聚變應(yīng)用方面。實(shí)現(xiàn)從 C/C 到銅的有效鍵合和高熱傳遞的挑戰(zhàn)，激發(fā)了對可行連接技術(shù)的研究。釬焊已成為承受接頭內(nèi)高熱通量的首選技術(shù)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的機(jī)械解決方案被認(rèn)為不足以實(shí)現(xiàn)有效的散熱。對異種接頭的研究不僅限于 ITER 項(xiàng)目，它在航空航天領(lǐng)域也顯示出相關(guān)性。實(shí)際上，C/C 材料可用于應(yīng)對太空任務(wù)中遇到的惡劣熱環(huán)境，包括噴嘴的熱管理和再入操作等任務(wù)。近年來，對新釬焊工藝的研究以及對現(xiàn)有方法的改進(jìn)已經(jīng)取得顯著進(jìn)展。表面形貌對于基體與連接材料間的潤濕性以及耦合效應(yīng)起著至關(guān)重要的作用。若表面紋理能夠促進(jìn)被粘物與膠粘劑之間的錨定作用，則可能引發(fā)機(jī)械互鎖效應(yīng)。這種效應(yīng)發(fā)生在連接材料滲透進(jìn)表面的凹陷區(qū)域時(shí)，即所謂的山谷。這些特定區(qū)域作為錨固點(diǎn)，不僅促進(jìn)了釬焊材料在接頭區(qū)域的保留，還為接頭提供了額外的強(qiáng)度支持。

2、機(jī)械連接技術(shù)

機(jī)械連接技術(shù)是目前航空復(fù)合材料連接成形過程最常用的技術(shù)之一，接頭強(qiáng)度高，且相對易于拆卸，主要包括螺接、鉚接等連接技術(shù)，典型機(jī)械連接成形技術(shù)示意圖如圖1所示。機(jī)械連接是通過螺栓、螺釘?shù)染o固件實(shí)現(xiàn)C/C復(fù)合材料構(gòu)件的連接。這種方法易于控制質(zhì)量，抗剝離能力強(qiáng)，但連接效率較低，且在復(fù)合材料軸管上開孔會(huì)破壞增強(qiáng)纖維的連續(xù)性。

圖1典型機(jī)械連接成形技術(shù)示意圖

3、釬焊連接技術(shù)

釬焊接頭研究：在最近的一項(xiàng)研究中，探討了界面結(jié)構(gòu)對碳/碳（C/C）復(fù)合材料與銅鉻鋯（CuCrZr）合金釬焊接頭性能的影響。研究者們采用了Cu-3.5Si活性釬料，通過活性釬焊法，成功制備了C/C-CuCrZr接頭，并在其中引入銅作為中間層。在C/C焊接面，通過激光毛化處理，構(gòu)建了具有“指接結(jié)構(gòu)”的連接界面。研究發(fā)現(xiàn)，接頭的強(qiáng)度高達(dá)79 MPa，并且在經(jīng)歷450℃下50次熱震循環(huán)后，接頭界面依然保持基本完整，顯示出優(yōu)異的抗熱震性能。銅中間層有效地緩解了接頭的殘余應(yīng)力，而指接結(jié)構(gòu)在釬焊界面形成的釬料針起到了顯著的錨定作用，同時(shí)增大了接頭的連接面積，從而提升了接頭的強(qiáng)度和抗熱震性能。

釬焊溫度對連接性能的影響：另一項(xiàng)研究深入分析了釬焊溫度對C/C/AgCuTi+Cf/TC4接頭組織及力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著釬焊溫度的升高，接頭兩側(cè)的反應(yīng)層厚度增加，釬縫中心的Ti-Cu化合物數(shù)量增多，相應(yīng)的釬焊接頭抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。當(dāng)釬焊溫度設(shè)定為900℃，且釬焊時(shí)間為10分鐘時(shí)，接頭強(qiáng)度達(dá)到峰值，為28.5 MPa。此外，碳纖維在接頭形成過程中起到了組織調(diào)控與應(yīng)力調(diào)控的作用，進(jìn)一步提升了釬焊接頭的整體質(zhì)量。

表面處理方式對連接性能的影響：常壓等離子射流（APPJ）能有效紋理化C/C復(fù)合材料表面。30秒的等離子處理即可形成刷狀紋理，增加表面錨定點(diǎn)和表面積。盡管對釬焊合金接觸角影響不大，但可能提高C/C-C/C樣品的釬焊接頭強(qiáng)度。然而，機(jī)械測試表明處理后的樣品性能不佳，原因是TiCuNi合金滲透進(jìn)C/C空腔，導(dǎo)致接頭厚度僅為10微米。為增強(qiáng)機(jī)械性能，需優(yōu)化釬焊工藝和探索不同合金。對于C/C-Cu接頭，等離子處理后性能提升140%，歸因于C纖維周圍環(huán)形間隙增加粘合面積和釬焊材料保留增加，以及由滲透釬焊合金引起的增強(qiáng)釘扎效果。

釬焊技術(shù)的應(yīng)用：釬焊技術(shù)因其低加熱溫度、小焊接變形、適用于多種材料以及高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)，在軌道客車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，空調(diào)冷凝水管、轉(zhuǎn)向架制動(dòng)管路、散熱器散熱片、電機(jī)轉(zhuǎn)子、銅接地座等連接均采用釬焊。然而，傳統(tǒng)的軌道客車釬焊主要采用火焰釬焊，存在釬料含銀量高、環(huán)保壓力大、人工操作和質(zhì)量穩(wěn)定性差等問題。近年來，低銀釬料和感應(yīng)釬焊技術(shù)（自動(dòng)、參數(shù)可控）逐步替代了火焰釬焊，成為車輛銅管焊接的主要方式。如圖2所示，與火焰釬焊相比，感應(yīng)釬焊具有加熱控制精確、接頭均勻美觀、焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且結(jié)合低Ag釬料的應(yīng)用，顯著降低了環(huán)境污染。

圖2 感應(yīng)釬焊系統(tǒng)

圖3 一種Cf/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金的復(fù)合釬焊

4、膠粘劑連接技術(shù)

膠粘劑連接技術(shù)是借助膠粘劑將相同或不同材料進(jìn)行連接的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空復(fù)合材料的連接成形過程，無須對復(fù)合材料進(jìn)行預(yù)鉆孔處理，且對復(fù)合材料的厚度和延展性無特殊要求。在應(yīng)用該連接技術(shù)時(shí)，通常需要對復(fù)合材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，隨后通過二次膠接、共固化膠接以及共膠接等連接技術(shù)對復(fù)合材料進(jìn)行高質(zhì)量的連接，連接成形示意圖如圖4所示。

圖4不同膠黏劑連接技術(shù)

5、混合連接技術(shù)

機(jī)械連接與膠接結(jié)合：混合連接方式結(jié)合了機(jī)械連接和膠接的優(yōu)點(diǎn)，通過在連接區(qū)域預(yù)先制孔、涂膠后安裝緊固件，可以在膠接面失效后防止連接結(jié)構(gòu)立即破壞，提高破損安全性能。此外，在高溫條件下（如800°C），粘接-螺栓混合接頭表現(xiàn)出較高的承載能力。螺栓的存在提高了接頭的剛度和承載性能，減少了粘合劑層的失效載荷。

變剛度復(fù)合材料軸管膠接接頭：通過優(yōu)化纖維取向和膠層厚度，可以最小化環(huán)向剪切應(yīng)力，提高接頭的力學(xué)性能。

預(yù)緊力齒形連接技術(shù)：未來研究中可考慮無附加金屬部件的連接技術(shù)，如預(yù)緊力齒形連接技術(shù)，以改進(jìn)C/C復(fù)合材料與其他金屬材料的焊接機(jī)制和界面反應(yīng)。

6、其他連接方式

1）高溫自傳播燃燒合成方法：通過高溫自傳播燃燒合成方法，可以實(shí)現(xiàn)C/C復(fù)合材料與TiAl合金的同步焊接，獲得無裂紋的焊接接頭。

圖5自蔓延高溫合成技術(shù)(燃燒合成）

2）UHS技術(shù)：基于超快速高溫沖擊技術(shù)的選擇性氧化方法，可以顯著提高C/C復(fù)合材料與金屬的界面結(jié)合強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度提高至25.3 MPa。

[1]Alessandro De Zanet, Fabrizio Valenza, Valentina Casalegno, Sofia Gambaro, Fabiana D'Isanto, Milena Salvo,Atmospheric-pressure plasma jet texturing of C/C composites for improved joint strength,Ceramics International,Volume 50, Issue 20, Part B,2024,Pages 38933-38942,ISSN 0272-8842,https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.07.257.

[2]劉嘉鳴,全東,趙國群.航空復(fù)合材料連接成形技術(shù)研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2023,59(20):119-142.

[3]韓曉輝,劉桐,李剛卿,等.軌道客車連接技術(shù)難題及發(fā)展趨勢[J].電焊機(jī),2024,54(09):1-13.

[4]付前剛,石慧倫.C/C復(fù)合材料表面耐高溫抗氧化硅基陶瓷涂層研究進(jìn)展[J].航空材料學(xué)報(bào),2021,41(03):1-10.