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江苏大学刘桂武团队：钎料改性调控界面，赋能Al2O3f/Al2O3复材空气钎焊接头强化精选

已有 522 次阅读 2026-9-21 09:40 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Wang C, Liu G, Guo Q, et al. Interfacial reaction-enabled strengthening of Al₂O_3f/Al₂O₃ composite joints brazed via TiO₂-modified Ag-Nb₂O₅ fillers. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15: 9221378. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221378

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221378

ResearchGate： Interfacial reaction-enabled strengthening of Al 2 O 3f /Al 2 O 3 composite joints brazed via TiO 2 -modified Ag-Nb 2 O 5 fillers

基金支持：

此研究受到了国家自然科学基金（52572073, 52002153）的支持。

一、导读

氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料(Al₂O_3f/Al₂O₃ CMC)是极端环境下高端热结构部件的关键材料，因此可靠的连接技术成为其工程化应用的关键环节。本文采用TiO₂改性Ag-Nb₂O₅钎料，通过空气钎焊实现该复合材料与多种基材连接，并系统地研究了其界面行为和接头力学性能。当TiO₂掺量为2 mol%时，CMC/Al₂O₃接头抗剪强度达45.3 MPa，这归因于复合材料界面形成连续的AlNbO₄层和互锁结构。该研究为航空航天高温构件低成本、高效连接提供了可行方案。

二、研究背景

氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料（Al₂O_3f/Al₂O₃ CMC）已在航空发动机、燃烧室外衬套、中心锥体、混合器和整流罩等部件得到了应用，其可靠连接是构件集成的关键技术瓶颈之一。然而，现有连接方案均存局限：传统活性金属钎焊依赖真空或惰性保护气氛，设备成本高、工艺流程复杂，难以适配大尺寸构件的批量高效制造；玻璃连接法虽工艺简单，但接头玻璃相本征脆性大、高温强度衰减快，难以长时间满足高温服役需求。开发低成本高性能连接技术、推动该复合材料高端化应用具有重要现实意义。

三、文章亮点

（1）一种新型钎料Ag-4Nb₂O₅-TiO₂对Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料的空气钎焊

（2）Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料钎焊接头的微观结构演变与界面行为

（3）Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料与不同基材对焊接头的剪切强度与断裂行为

四、研究结果及结论

采用 Ag-4Nb₂O₅-TiO₂钎料，在大气环境下成功实现了Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料（CMC）与99%氧化铝陶瓷、自身以及GH3536合金的钎焊连接。其中CMC/Al₂O₃对接接头的平均抗剪强度最高，达45.3 MPa；其次依次为CMC/CMC对接接头、CMC/GH3536对接接头和CMC/CMC平接接头。TiO₂的加入会促进Nb₂O₅与Al₂O₃发生界面反应生成AlNbO₄，同时消耗Nb₂O₅并抑制AgNbO₃的生成，使AlNbO₄反应层呈现出从无到不连续附着、再到连续附着，最终以块状聚集体贯穿银中间层的演化规律。当TiO₂掺量为2 mol%时，Ag/CMC界面处形成近乎连续的AlNbO₄反应层；同时反应产物（AgNbO₃与AlNbO₄）随熔融的Ag渗入CMC基体内部，形成可提升接头强度的互锁结构。因此，该类接头的断裂行为受界面特征（AlNbO₄反应层、互锁结构、孔隙）与GH3536合金元素扩散的共同调控。

Fig. 1 接头剖面SEM图像: (a–f) CMC/Ag-4Nb₂O₅-xTiO₂/Al₂O₃butt (x=0, 0.5, 1, 2, 3, 4), (g) CMC/Ag-4Nb₂O₅-2TiO₂/CMC butt, (h) CMC/Ag-4Nb₂O₅-2TiO₂/CMC flat 和 (i) CMC/Ag-4Nb₂O₅-2TiO₂/GH3536 butt

Fig. 2 (a) CMC/Ag-4Nb₂O₅-xTiO₂/Al₂O₃接头剪切强度随TiO₂含量变化曲线, (b) CMC/ Ag-4Nb₂O₅-2TiO₂/Al₂O₃ butt, CMC/Ag-4Nb₂O₅-2TiO₂/CMC butt, CMC/Ag-4Nb₂O₅-2TiO₂/GH3536 butt 和 CMC/ Ag-4Nb₂O₅-2TiO₂/CMC flat 接头的剪切强度, (c) 对应的的载荷-位移曲线

Fig. 3 CMC/Al₂O₃ butt接头典型断裂面的 (a) 宏观照片, (b, c) SEM图像和 (d) XRD图谱; (e) CMC/Al₂O₃ butt, (f) CMC/CMC butt, (g) CMC/GH3536 butt 和 (h) CMC/CMC flat 接头的断裂路径示意图

五、作者及研究团队简介

王琛（第一作者），江苏大学材料学院，在读硕士，主要从事陶瓷及陶瓷基复合材料的高温润湿和钎焊研究。

刘桂武（通讯作者），江苏大学材料学院教授、博士生导师,《先进陶瓷（英文）》期刊编委。入选教育部新世纪优秀人才支持计划。主要从事陶瓷高温润湿与焊接、气敏材料与气体传感器等研究。

张相召（通讯作者），江苏大学材料学院副教授、硕士生导师，主要从事金属/陶瓷的高温润湿与焊接、第一性原理模拟计算等相关研究工作。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1. Zhang M, Xu S, Valenza F, et al. Advances in reactive air wetting and brazing of engineering ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(1): 9220997. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220997

2. Qiu Y, Xu S, Zhang X, et al. Reactive air wetting and brazing of Al₂O₃ ceramics using Ag–Nb₂O₅filler: Performance and interfacial behavior. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(2): 135-142. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220857

3. LIU G, ZHANG X, YANG J, et al. Recent advances in joining of SiC-based materials (monolithic SiC and SiC_f/SiC composites): Joining processes, joint strength, and interfacial behavior. Journal of Advanced Ceramics, 2019, 8(1): 19-38. https://doi.org/10.1007/s40145-018-0297-x

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社有限公司出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。