用于增强YG8-GH3536真空钎焊接头的静电纺碳纳米纤维膜

《Vacuum》：Electrospun carbon nanofiber membranes for reinforcing YG8-GH3536 vacuum brazed joints

碳纳米纤维（CNF）中间层通过电纺-碳化工艺制备，有效缓解了YG8碳化钨与GH3536镍基合金真空钎焊接头的高残余应力和脆性问题，显著提升接头室温及高温下的剪切强度和断裂韧性（分别提升43%、82%和79%、263%）。

　　本研究围绕月球钻探与采样设备所使用的异种材料焊接问题展开，旨在开发一种有效的解决方案，以提升焊接接头在极端环境下的性能表现。月球表面的环境极为严酷，包括剧烈的温度变化、高真空条件以及强腐蚀性土壤。这些因素对钻探工具的材料提出了极高要求，不仅需要具备优异的耐磨性能以应对月壤中尖锐矿物颗粒的磨损，还必须具有良好的热稳定性以适应高达300°C的温度波动，同时还要具备与真空环境兼容的能力。在实际应用中，YG8硬质合金和GH3536镍基高温合金作为常见的组合材料，由于两者热膨胀系数（CTE）的显著差异，导致焊接过程中产生较大的残余应力，从而影响接头的强度与韧性。为解决这一问题，研究人员尝试在焊接缝中引入多孔结构材料作为中间层，以通过第二相分散强化和增强塑性来改善接头的机械性能。然而，传统的多孔材料如铜、镍泡沫和多孔陶瓷，往往存在热膨胀系数高、加工性能差、润湿性不足或脆性过大的问题，限制了其在实际应用中的效果。此外，由于制造工艺的限制，这些材料通常具有较大的孔径，难以在焊接缝中实现均匀分布，进一步影响了其性能表现。

相较之下，多孔碳纳米材料（如石墨烯材料和碳纳米管）不仅具备较低的热膨胀系数（通常低于1×10??/K），还具有高孔隙率和小孔径的优势，同时表现出良好的润湿性。这些特性使其成为焊接应用中极具潜力的中间层材料。然而，当前多孔碳纳米材料的大面积薄膜制造过程存在一定的技术挑战，包括制造工艺复杂和成本较高的问题。此外，材料本身的脆性可能导致在曲面贴合和结构组装过程中受到损伤，从而影响其在工程应用中的可靠性。

基于上述背景，本研究创新性地采用静电纺丝与高温碳化相结合的方法，制备出一种碳纳米纤维（CNF）中间层膜，用于YG8硬质合金与GH3536镍基高温合金的真空焊接。通过系统分析CNF中间层对焊接界面微观结构和机械性能的影响，我们揭示了其增强机制，并验证了该方法在提升焊接接头性能方面的有效性。研究结果表明，CNF中间层能够有效缓解焊接过程中产生的残余应力，同时显著降低焊接缝中脆性金属间化合物的含量，提高银-铜共晶组分的比例。这不仅改善了焊接接头的整体机械性能，还通过细小且均匀分布的多孔微观结构实现了载荷传递和应力释放，从而增强了接头的强度与韧性。

在室温条件下，采用CNF中间层的焊接接头的剪切强度提高了43%，断裂韧性提升了82%。而在高温条件下（400°C），相应的性能提升更为显著，剪切强度提高了79%，断裂韧性则达到了263%的提升。这些数据表明，CNF中间层在提升焊接接头性能方面具有极高的潜力。此外，有限元分析进一步证实了CNF中间层在降低焊接接头残余应力方面的有效性，其低热膨胀系数特性有助于在焊接过程中实现更均匀的热分布，从而减少因非均匀加热引起的变形和残余应力。

本研究还探讨了CNF中间层在不同应用环境下的适应性。在能源存储、催化反应和生物材料等领域，研究人员已广泛采用静电纺丝技术制备聚合物纤维膜，并通过碳化工艺获得碳纳米纤维膜。这些材料表现出微米级的孔隙结构、可控的厚度和良好的柔韧性，使其在功能材料领域具有广泛应用前景。研究表明，静电纺丝技术能够实现高均匀性孔隙结构的制备，结合高温碳化后，碳纳米纤维膜不仅具有良好的柔韧性，还具备优异的应变调节能力。此外，将均匀分布的微孔碳材料引入金属基体中，可以显著提升材料的综合机械性能，这在焊接应用中同样具有重要意义。

本研究通过引入CNF中间层，成功解决了YG8硬质合金与GH3536合金在真空焊接过程中所面临的残余应力问题。实验结果显示，CNF中间层能够有效改善焊接接头的微观结构，减少脆性相的形成，提高共晶相的比例，从而增强接头的综合性能。同时，CNF中间层的多孔结构在焊接过程中能够实现良好的载荷传递和应力释放，使其在提升接头强度与韧性方面表现出显著优势。这种创新方法不仅适用于月球钻探与采样设备，还可推广至其他极端环境下的焊接应用，如深海探测、高温工业设备等。

本研究的成果为异种材料在极端环境下的焊接提供了新的思路和方法。通过静电纺丝与碳化技术的结合，我们成功制备出一种具有优异性能的CNF中间层膜，其低热膨胀系数和高孔隙率特性能够有效缓解焊接接头中的残余应力，提高接头的机械性能。此外，该方法还能够减少焊接过程中可能产生的脆性相，提高共晶相的比例，从而提升接头的综合性能。这些发现不仅拓展了碳纳米材料在焊接领域的应用范围，还为解决异种材料焊接中的关键问题提供了新的技术路径。

在实际应用中，YG8硬质合金因其优异的硬度、耐磨性和抗压强度，成为月球采样钻头的首选材料。然而，其固有的脆性、低断裂韧性以及在冲击载荷下易发生碎裂的问题，使其难以作为单一材料使用，必须与金属基体结合。GH3536合金则因其表面形成的氧化铬膜，能够有效抵抗月壤腐蚀，同时具备优异的高温机械性能和良好的低温韧性，成为长期钻探硬岩的理想材料。这两种材料的结合在月球探测设备中具有重要的应用价值，但焊接过程中的残余应力问题仍然制约了其性能表现。因此，引入CNF中间层膜成为解决这一问题的关键。

本研究的创新点在于采用静电纺丝与碳化相结合的方法，制备出具有特定微观结构的CNF中间层膜。该膜的制备过程包括三个主要步骤：溶液制备、静电纺丝和碳化。其中，溶液制备采用聚丙烯腈（PAN）粉末溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，形成12%的聚合物溶液。静电纺丝过程在恒定的电压和温度条件下进行，通过控制纺丝参数，可以获得具有均匀分布的纤维结构。碳化过程则在高温条件下进行，以去除聚合物残留并形成稳定的碳纳米纤维结构。通过这些步骤，我们成功制备出具有高孔隙率、低热膨胀系数和良好润湿性的CNF中间层膜。

在实验过程中，我们对CNF中间层的微观结构进行了系统分析。结果表明，PAN前驱体膜呈现出致密且均匀的纤维网络结构，而碳化后的CNF膜则表现出更细小的纤维直径和更均匀的多孔结构。这种结构的形成与PAN的高粘度和分子间的氢键作用密切相关。通过进一步的微观结构表征，我们发现CNF中间层的多孔结构在焊接过程中能够有效吸收应力，减少应力集中，从而提升接头的韧性。此外，该结构还能够实现良好的载荷传递，提高接头的强度。

本研究的结论表明，采用CNF中间层膜的焊接方法能够显著提升YG8硬质合金与GH3536合金的焊接接头性能。在室温条件下，剪切强度和断裂韧性分别提高了43%和82%；而在高温条件下（400°C），相应的性能提升更加显著，剪切强度提高了79%，断裂韧性则达到了263%。这些数据表明，CNF中间层膜在提升焊接接头性能方面具有极大的潜力。此外，有限元分析进一步证实了CNF中间层在降低焊接接头残余应力方面的有效性，其低热膨胀系数特性有助于在焊接过程中实现更均匀的热分布，从而减少因非均匀加热引起的变形和残余应力。

综上所述，本研究通过静电纺丝与碳化相结合的方法，成功制备出一种具有优异性能的CNF中间层膜，用于YG8硬质合金与GH3536合金的真空焊接。该方法不仅解决了焊接过程中产生的残余应力问题，还显著提升了接头的综合机械性能。研究结果表明，CNF中间层膜在提升焊接接头性能方面具有显著优势，能够有效降低脆性相的形成，提高共晶相的比例，从而增强接头的韧性与强度。这些发现不仅拓展了碳纳米材料在焊接领域的应用范围，还为解决异种材料焊接中的关键问题提供了新的技术路径。本研究的成果对于月球钻探与采样设备的设计与制造具有重要的指导意义，同时也为其他极端环境下的焊接应用提供了借鉴。