基于预氧化-CNTs改性C/C复合材料与金属连接梯度界面设计及强化机制

Due to the urgent demand of C/C composites in the joining of engine nozzle to metal, this project proposes a new method for preparing high performance composites-metal structure based on surface modification. Pre-oxidation could form size-controllable annular gaps around the carbon fiber with minimum damage to the composites, after which the carbon nanotubes (CNTs) are grown between these gaps. Eventually, a CNTs reinforcement joint gradient interface forms by liquid filler infiltration effects. By analyzing the formation controlling factors of annular gaps and CNTs on the basis of accurate characterization, a coordinated process route that pre-oxidation and CNTs growth can be controlled respectively would be established. In this project, the wetting behavior of the composite surface which is different from the conventional flat interface will be investigated. To illustrate the influence of metal dissolution on system reaction, the kinetic equation of metal matrix dissolution will be established, and the thermodynamic parameters of the active element will be calculated. Combined with numerical simulation and experimental determination, the residual stress field distribution of the joint will be analyzed considering the composite surface state and the joint interface structure. On this basis, the reinforcement mechanism of C/C composites and metal joints will be comprehensively analyzed from the perspective of metallurgy and mechanics. The establishment of gradient interface structure formation and controlling technology roadmap will provide new ideas for low stress and high performance connection of carbon fiber reinforced composites and metal.

针对航空航天领域C/C复合材料与金属连接的迫切需求，本项目提出基于预氧化-CNTs改性制备高性能复合材料/金属构件的新方法。采用预氧化围绕C纤维形成尺寸可控的环形间隙，并原位生长CNTs，通过液态钎料的填缝作用形成CNTs增强的接头梯度界面结构。在精确表征的基础上分析环形间隙、CNTs生长的控制因素，建立预氧化－CNTs生长分别可控、一致协调的工艺路线。研究优化后钎料体系在区别于以往平直界面的复合材料复杂表面的润湿行为；计算体系活性元素热力学参数随金属溶解的变化，阐明母材溶解对体系反应的影响；建立界面反应层成长动力学模型，阐明界面形成机制。结合数值模拟和实验测定，综合考虑复合材料表面状态和接头界面结构，分析残余应力场分布。在此基础上，从冶金和力学角度全面解析C/C复合材料与金属接头强化机制。建立梯度界面结构形成及控制路线图，为碳纤维增强复合材料与金属的低应力、高性能连接提供新思路。

针对航空航天领域C/C复合材料与金属连接的迫切需求，本项目提出了基于预氧化-CNTs改性制备高性能复合材料/金属构件的新方法。预氧化在C/C复合材料表面形成了围绕碳纤维的深度可控的环形间隙，CVD 处理在C/C 表面及间隙合成了多壁CNTs。研究了AgCuTi液态钎料在不同表面状态的润湿行为，在原始C/C 表面的润湿角为25°，预氧化后润湿性变差，而生长CNTs 后润湿性提升明显降低为9°，揭示了液态钎料在非平直界面的润湿铺展行为与填缝机制。通过液态钎料的填缝作用形成CNTs增强的接头梯度界面结构，C/C 侧界面由平直变为浸渗界面，且由于CNTs的存在与活性元素发生原位反应，在界面附近形成了细小TiC 颗粒，强化了接头界面，建立了界面微观结构设计准则。研究了不同溶解行为的两种高温金属材料Nb和GH3044与C/C复合材料的连接，发现弱溶解的Nb对界面反应影响较小，而强溶解的GH3044不但改变了界面反应产物的种类，且溶解量过大或过小均会导致接头界面产生微裂纹。建立了母材溶解量与钎焊工艺参数的定量关系模型，为工艺参数的优化提供指导。在优化后的连接工艺参数下，相对于原始C/C，经过预氧化和生长CNTs处理后，接头抗剪强度从29MPa提高至57MPa和62MPa，分别提高了97%和114%。从冶金和力学角度全面解析C/C复合材料与金属接头强化原因，连接面积的增加、浸渗钎料的钉扎强化、梯度接头缓解残余应力以及CNTs原位反应形成的颗粒增强联合作用是接头强化的主要机制。. 本项目从结构连接的角度出发，提出C/C复合材料表面改性新方法，把二维平直的冶金连接界面变成三维互联的增强结构，构建了物理冶金机械钉扎复合强化新模式，建立了梯度界面结构形成及控制路线图，实现了C/C复合材料与金属连接强度的大幅提升，为C/C复合材料部件的应用奠定了良好的基础。