铝/石墨超声波辅助活性钎焊技术

铝轻盈而导电，石墨稳定而耐热，将它们结合在一起，有望制造出性能优异的新材料。然而，这对“搭档”却极难连接——铝表面有一层顽固的氧化膜，而石墨（碳）则是一种非金属，常规方法难以让钎料对其表面产生“好感”。传统的解决方案是依赖真空钎焊：在昂贵的真空炉中，通过特殊的活性钎料来实现连接。但如今，一项新技术——超声波振动辅助钎焊——挑战了这一传统，成功在普通的空气环境中，实现了铝与石墨的牢固连接。

一、实验：大气环境下的“声波奇迹”

研究人员设计了一场精彩的“对比实验”。他们选用了一种含有活性元素钛（Ti）的锡银合金钎料，这种钎料在真空下本身就能很好地连接难焊材料。

* 对照组：真空钎焊。在真空环境下进行钎焊，这是公认的可靠基准。
* 实验组：超声波大气钎焊。在敞开的大气环境中，对钎焊区域施加高频超声波振动。

研究的重点是观察超声波作用时间这把“钥匙”，如何开启连接质量的大门。

二、时间的力量：润湿与强度的完美提升

实验结果清晰地展示了一个随着时间优化而趋于完美的过程：

* 2秒，征服铝表面：当超声波仅作用2秒时，液态钎料就成功突破了铝表面的氧化铝“盔甲”，实现了对铝的完全润湿。
* 6秒，攻克石墨关：作用时间延长至6秒，钎料进一步展现了强大的铺展能力，成功完全润湿了惰性的石墨表面。
* 10秒，强度达到顶峰：随着作用时间从0秒增加到10秒，钎料在两种母材上铺展的面积越来越大，形成的接头也越发牢固。当超声波作用10秒时，接头的剪切强度达到了最大值16 MPa。这表明，在一定的窗口期内，更长的超声作用时间能带来更充分的界面反应和更强的机械咬合。

三、微观揭秘：“微射流”如何创造奇迹

为何在空气中也能取得媲美真空的效果？关键在于超声波产生的微射流作用。

通过电子显微镜对比两种接头的微观形貌，研究人员揭示了奥秘：在真空钎焊中，主要依靠钎料中的活性元素（如钛）去“捕捉”并反应，从而形成连接。

而在超声波钎焊中，局面则更为活跃。高频振动在液态钎料内部和界面产生了无数微小的、高速的液体射流。这些微射流如同微观世界里的“高压水枪”，产生了以下关键作用：
1. 强力清洁：猛烈冲击铝和石墨表面，瞬间清除污染物和氧化膜，暴露出纯净的母材。
2. 促进混合：剧烈搅动钎料，使内部的活性元素能更均匀、快速地输送到界面。
3. 激活表面：对石墨表面进行“活化”处理，增加了其反应活性，使钎料更容易铺展和结合。

正是这种强大的物理效应，模拟甚至超越了真空环境才能提供的界面洁净条件。

结语：为绿色制造开拓新路径

这项研究有力地证明，超声波振动辅助钎焊技术能够在大气环境下，高效替代传统的真空工艺，实现铝与石墨这类难焊材料的可靠连接。 通过精确控制超声波作用时间，即可获得性能优异的接头。

这不仅大幅降低了设备成本和工艺复杂度，更为未来在开放环境中连接多种高性能材料开拓了一条高效、经济的新途径，对推动绿色、低碳的先进制造业发展具有重要意义。

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