用于高温电阻测量的高性能互连技术，以实现碳纤维/碳化硅（Cf/SiC）复合材料的在线健康监测

《Journal of the European Ceramic Society》：High-performance interconnects for high-temperature resistance measurement toward on-line health monitoring of C f/SiC composites

陶瓷基复合材料（CMCs）与钼电极的高性能扩散连接研究。通过聚硅氧烷/Ag-Cu-Ti混合焊料实现无压扩散连接，形成TiCN和（Ti,Mo）5Si3界面层，界面强度达14.97-19.07 MPa，电阻测试在1200℃（氩气）和825℃（空气）下保持稳定。

　　

宋佳文|魏浩然|沈正元|杨强|徐凌|牛佳宏

教育部先进空间机械与智能航天器重点实验室，四川大学航空航天学院，成都610065，中国

摘要

为了满足对飞机智能热结构的需求，基于陶瓷基复合材料（CMCs）高温抗性测量的在线健康监测可以有效识别CMCs的损伤状态。然而，CMCs与金属电极之间高度可靠的连接仍然是一个主要挑战，这需要具备高温抗性、高界面强度和优异的电稳定性。通过使用一种新型混合焊料（聚硅氮烷和Ag-Cu-Ti）在Mo电极和C_f/SiC复合材料之间的扩散反应，实现了高性能的连接。在C_f/SiC和Mo电极侧分别形成了高导电性和耐温性的Ti(C,N)和(Ti,Mo)₅Si₃，而在混合焊料基体中形成了Ag(C)/Cu/Ti(C,N)的金属/陶瓷混合结构。这种高性能连接具有14.97-19.07 MPa的高界面强度。在氩气氛围中，电阻测量可以稳定地进行到1200 ℃；在空气中，则可以稳定地进行到825 ℃，同时具有优异的电阻稳定性和重复性。

引言

陶瓷基复合材料（CMCs）作为一种典型的热结构材料，被广泛应用于高超音速飞机的热防护系统[1]、[2]、[3]、[4]。CMCs制备过程中产生的内在缺陷会导致其在高温服役条件下的复杂损伤演变，从而严重降低其承载能力，甚至导致突然失效[5]、[6]。

通过电阻变化，可以有效地监测导电CMCs（如C_f/C、C_f/SiC和SiC_f/SiC复合材料）的损伤状态，实现原位在线健康监测和故障预警，这种方法适用于常温和高温环境[7]、[8]。与传统的热成像监测[9]、[10]、声发射[11]和光纤传感[12]相比，利用电阻进行健康监测能够提供长时间的连续监测数据，并且对CMCs的内部损伤更为敏感[13]。通过直流电阻或交流电阻测试，可以识别多种类型的损伤模式，如基体裂纹、界面脱粘和纤维断裂[14]、[15]、[16]。然而，用于CMCs高温抗性测量的高性能连接极大地限制了其在高温服役条件下的应用潜力。现有的通过物理连接方式将金属电极与CMCs连接的方法无法完全满足当前的需求。一方面，连接材料的物理/化学性质限制了CMCs电阻测试的适用温度范围[17]、[18]，例如银连接材料的低温抗性[19]、[20]，铂与SiC之间不可控的高温反应，以及石墨连接材料极差的抗氧化性[21]。另一方面，连接材料与金属电极或CMCs之间的热膨胀系数不匹配会导致较大的热应力，从而在高温下引发失效[22]。

基于化学反应的金属电极与CMCs之间的高度可靠连接是实现CMCs高温抗性测量的有效途径。实际上，为了结构应用，CMCs与高熔点金属之间的钎焊连接已经得到了广泛的发展[23]、[24]。常用的Ag-Cu-Ti基焊料已在温度和压力辅助下成功应用于C_f/SiC复合材料与钛合金之间的连接，其剪切强度在500 °C以下得到保持[25]、[26]。为了满足CMCs的服役温度要求，人们进一步研究了高熔点焊料，如Ti-Si、Ti-Zr和Ti-Ni-Nb基焊料[27]、[28]。用于CMCs高温抗性测量的高性能连接不仅需要具备高的机械性能，更重要的是需要具备高的电导率。理想的高温连接材料[29]应具备以下特性：(i) 连接材料的电导率应高于CMCs；(ii) 化学反应应完全进行，且在高温下不再发生进一步反应；(iii) 应获得高的连接强度；(iv) CMCs与金属电极之间的热机械相容性应得到有效协调。

在本文中，使用了一种新型的聚硅氮烷和Ag-Cu-Ti混合焊料来实现C_f/SiC与Mo金属线之间的高性能无压连接。液态聚硅氮烷不仅确保了混合焊料的流动性和润湿性，填充了C_f/SiC与Mo电极之间的间隙，而且聚硅氮烷经过高温处理后形成的SiCN为与C_f/SiC和Mo电极的界面反应提供了必要的元素[30]。生成的具有高耐温性和高电导率的金属/陶瓷反应产物确保了C_f/SiC在1200 ℃下的电阻稳定性以及优异的机械性能。

材料

材料

采用聚合物浸渍和热解工艺制备了含有热解碳中间相的3D针刺C_f/SiC复合材料。商业化的液态聚硅氮烷（PSN，Mn=500-900，25 ℃时的粘度=15-80 cP）由中国科学院化学研究所提供。Ag-Cu-Ti焊料的成分包括72 wt%的Ag、23.5 wt%的Cu和4.5 wt%的Ti。

高性能连接的制备

通过混合Ag-Cu-Ti粉末和15 wt%的...

界面表征与反应机理

含有Ag-Cu-Ti金属粉末和液态聚硅氮烷的混合焊料能够在常温和高温下无压力地有效填充C_f/SiC与Mo导线之间的间隙。在室温下，液态聚硅氮烷为混合焊料提供了优异的流动性和润湿性。在800 ℃时，Ag-Cu-Ti金属粉末熔化并进一步填充间隙或孔隙。同时，聚硅氮烷分解并陶瓷化，为...

结论

通过使用新型混合焊料进行扩散反应，实现了C_f/SiC复合材料与Mo电极之间具有高界面强度、高耐温性和优异电阻稳定性的高性能连接。这种混合焊料（聚硅氮烷和Ag-Cu-Ti）同时保证了优异的流动性和润湿性，并为C_f/SiC与Mo电极的界面反应提供了必要的元素。由此形成了连续且致密的界面层。

CRediT作者贡献声明

徐凌：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。牛佳宏：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，资金获取，概念构思。沈正元：实验研究，数据分析。杨强：监督，资源协调，概念构思。宋佳文：撰写 – 初稿撰写，方法学研究，数据分析。魏浩然：数据可视化，实验研究，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢国家自然科学基金（项目编号92371108和12202296）以及国家先进复合材料环境科学实验室科学基金会（项目编号JCKYS2022603C026）的财政支持。