《Materials Today Communications》：3D Carbon Sponge Interlayer Pyrolysis Time Control for Maximizing C/SiC-Niobium Joint Mechanical Performance
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本研究开发慢速（SP-CS）和快速（RP-CS）热解的碳海绵夹层，用于抑制碳纤维增强SiC与铌钎焊接头中的脆性相及Ti-Cu金属间化合物。SP-CS使剪切强度提升9.8%（83.6 MPa），韧性87%（236.4 J）；RP-CS通过多孔结构促进Ag-Cu共晶和细晶TiC壳层，强度和韧性分别提高48%（112.6 MPa）和204.4%（385.1 J）。
王泽宇|冯欣欣|李国坤|哈桑·艾哈迈德·布特|杨梦颖|曲志|李曼妮
江苏大学材料科学与工程学院，中国镇江市学府路301号，212013
摘要
本研究开发了新型的三维芯壳结构碳海绵中间层，以解决碳纤维增强碳化硅（SiC）复合材料-铌钎焊接头中的残余应力及脆性相生成问题。这些碳海绵通过控制热解动力学从三聚氰胺-甲醛泡沫前驱体制备而成，并分别采用两种热解速率（慢速热解（SP-CS）和快速热解（RP-CS）进行制备。慢速热解得到的碳海绵具有连续致密的薄骨架结构，而快速热解得到的碳海绵则形成了具有相互连通孔隙的独特中空骨架结构。对接头的微观结构分析表明，这两种中间层均有效抑制了厚Ti-Cu金属间化合物的形成，并增加了Ag-Cu共晶相的含量。与直接钎焊的接头相比，经过SP-CS改性的接头剪切强度提高了9.8%（从76.1 MPa提升至83.6 MPa），韧性提高了87%（从126.5 J提升至236.4 J）。快速热解得到的碳海绵的中空结构促进了Ag-Cu-Ti填充金属的渗透，形成了细晶粒的TiC网络壳层，从而构建了“金属芯-陶瓷壳”的复合结构。通过裂纹分叉、应力缓冲和能量耗散的协同增强机制，该中间层使得接头的强度和韧性分别提高了48%（从76.1 MPa提升至112.6 MPa）和204.4%（从126.5 J提升至385.1 J）。
章节摘录
引言
碳纤维增强碳化硅（Cf/SiC）复合材料凭借其优异的高温抗氧化性、低密度和高比强度，已成为替代铌（Nb）或铌合金制造热稳定性高的高超音速飞行器结构部件的理想材料[1],[2]。然而，由于Cf/SiC复合材料加工和成型难度较大，且不同部件对性能要求较高，因此其在实际应用中仍面临挑战。
碳泡沫中间层的制备
本研究使用由濮阳绿宇新材料科技有限公司提供的三聚氰胺-甲醛（MF）泡沫（孔隙率为99%），初始尺寸约为10 mm × 10 mm × 0.5 mm，将其置于真空度为1×10^-1 Pa的密封单口石英管内的坩埚中。如图1a所示，本研究采用了两种热解工艺，这两种工艺均基于我们之前的研究方法[26]。慢速热解过程中，泡沫逐渐转化为碳海绵。
碳泡沫中间层的制备与表征
采用扫描电子显微镜（SEM）观察了前驱体以及慢速和快速热解得到的碳泡沫中间层的形态差异，结果如图2所示。三聚氰胺-甲醛泡沫前驱体具有连续的三维（3D）网络结构（图2a），由相互连接的细密微孔和连接这些微孔的纤维组成（图2a1和图2a2）。慢速热解后，泡沫骨架发生收缩（如图2b所示）。节点（图2b1）和纤维（图2b2）的形状未发生明显变化。
SC-CP与RP-CP中间层的形态演变
两种中间层之间的显著结构差异源于以下耦合的热化学-力学机制：（1）热梯度动力学：慢速热解使得热量在材料内部更均匀地分布，从而有利于热解过程中产生的气体逐步释放。随着温度的升高，气体的扩散速率逐渐与材料的熱解速率相匹配，有效防止了局部压力积聚。
结论
本研究通过控制热解动力学制备了两种碳海绵，用于辅助C/C复合材料与铌的钎焊。系统研究了SP-CS和RP-CS中间层对接头界面微观结构和力学性能的影响，得出以下结论：
（1）通过调控三聚氰胺-甲醛泡沫前驱体的热解动力学，成功制备了两种碳海绵中间层。其中，慢速热解得到的碳海绵具有连续致密的骨架结构。
作者贡献声明
王泽宇：负责撰写初稿、资金申请及概念构思。李国坤：负责撰写、审稿与编辑以及实验研究。冯欣欣：负责撰写初稿、数据分析与整理。曲志：负责方法论设计。杨梦颖：负责数据分析。李曼妮：负责结果验证、监督工作及资金申请。哈桑·艾哈迈德·布特：负责结果验证、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号5240051808）、江苏省高等教育机构自然科学基金（项目编号23KJB430008、24KJB430011）以及江苏省自然科学基金（项目编号BK20230531）的财政支持。
