碳纤维增强铝基复合材料超声焊锡连接研究

碳纤维增强铝基复合材料（Cf/Al）具备低密度、高强度、低热膨胀系数等优异性能，被广泛应用于导弹、航天飞机、火箭、卫星等航空航天高端装备领域。随着航天装备结构日趋复杂，大尺寸、异形结构的Cf/Al构件应用需求持续增加。但现有制备工艺难以直接成型复杂构型的Cf/Al构件，因此将小型标准坯料拼接组装为大型复杂构件，成为解决该难题的有效技术路径，而高性能连接技术是实现该工艺的核心关键。

Cf/Al复合材料连接的核心技术难点在于保证接头处碳纤维的连续性，这也是保障构件力学性能的关键。目前现有连接技术均存在明显缺陷：自冲铆接、搅拌摩擦焊等压力连接工艺易造成碳纤维断裂，破坏纤维连续性，且铆接工艺会增加结构额外重量；熔焊工艺会使碳铝元素在高温下发生反应，生成脆性碳化铝化合物；激光自蔓延高温合成连接技术虽可实现有效连接，但加工温度过高，接头易生成多种金属间化合物，严重劣化连接性能。

传统钎焊、软钎焊工艺操作简便、连接可靠性高，广泛应用于纤维增强复合材料连接，但该工艺仍存在短板。常规钎焊温度普遍高于900℃，高温环境极易诱发金属间化合物生成，同时真空环境、长时间保温、活性钎料等严苛工艺条件，难以适配Cf/Al的连接需求。此外，真空钎焊接头焊缝宽度较大，无法完全包覆碳纤维，会直接破坏纤维连续性，大幅降低构件整体性能。

针对以上技术痛点，本文采用低温超声焊锡技术，以Sn9Zn惰性钎料实现Cf/Al复合材料的快速连接。该技术依托超声空化效应冲刷侵蚀复合材料铝基体，使母材两侧碳纤维充分裸露，在超声振动作用下，两侧碳纤维相互接触、交织缠绕，从根本上保障接头区域的纤维连续性，规避传统工艺的性能缺陷。

本研究以6061铝合金为基体、碳纤维含量50%的Cf/Al复合材料为试验母材，采用挤压铸造工艺制备标准试样，经砂纸打磨、超声清洗后开展钎焊试验，系统探究超声作用时间对母材侵蚀效果、纤维流动状态及接头力学性能的影响规律。微观表征结果表明，复合材料内部碳纤维横竖有序分布，基体主要为碳、铝两相，仅含少量制备过程引入的碳化硅杂质。同时，Cf/Al碳铝界面天然存在微裂纹与少量脆性相，为超声钎焊的基体侵蚀、纤维裸露提供了先天条件。

试验结果证实，低温超声软钎焊可高效实现Cf/Al复合材料可靠连接。短时超声作用仅会造成铝基体轻微侵蚀，可精准调控碳纤维裸露与交织状态，有效避免纤维断裂、脆性相大量生成等问题。该工艺突破了传统连接技术的瓶颈，能够在低温条件下制备出纤维连续性优异的高质量接头，为Cf/Al及其他碳纤维增强复合材料的高效、高性能连接提供了全新的技术思路与参考依据。

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