1. UHS技术的原理和优势
UHS（超快高温冲击）技术是一种利用焦耳热进行快速加热的方法。在本研究中，通过将C/C复合材料放置在石墨毡上，并通以直流电，石墨毡迅速产生焦耳热，该热能随后传递至C/C复合材料，实现材料表面的选择性氧化。这一过程在秒级或毫秒级完成，相比传统马弗炉加热方法，极大地提高了加热效率。
图1. 实验流程示意图。
与传统的马弗炉加热方法相比，UHS 技术具有以下优势：
快速加热： 根据图2(b)展示的温度曲线，石墨毡的加热速率可达900–1500°C/s，远高于传统马弗炉的加热速率（约5–25°C/min），实现了快速升温。
热损伤小： 由于UHS技术加热速度快，冷却速度同样迅速，C/C复合材料在高温下的暴露时间大幅缩短，从而减少了热损伤。
能效高： UHS技术通过焦耳热直接对材料进行加热，相比传统方法，能显著降低能耗。
温度梯度控制： 通过调整与石墨毡的距离，可以在C/C复合材料表面形成非均匀的温度梯度场，实现选择性氧化（如图4所示）。
图 2. (a) 钎焊过程曲线；(b) 石墨毡的温度曲线。
图 4. (a) 选择性氧化过程的数字照片；(b) 距离石墨毡 3 mm、5 mm 和 10 mm 处 C/C 复合材料的温度；(c) 表面选择性氧化处理后 C/C 复合材料的重量损失率。
2. C/C复合材料的表面氧化行为
表面氧化形貌：如图3所示，随着电流的增加，C/C复合材料表面由光滑逐渐转变为形成环形氧化间隙。这些间隙的形成是由于碳基体在高温下的优先氧化，这一过程通过以下反应进行：2C+O2→2CO
图 3. C/C复合材料的表面形貌。(a) 原始状态；(b) 20 A电流处理后；(c) 30 A电流处理后；(d) 40 A电流处理后。
氧化深度控制：通过控制与热源的距离，可以精确控制氧化深度。如图5所示，远离热源的区域氧化程度较低，甚至没有明显的氧化间隙，表明UHS方法可以实现对大型构件的表面选择性氧化，而不会对整个材料造成过度损伤。
图 5. C/C复合材料在不同距离热源处氧化后的表面形貌。(a) 距离热源2毫米；(b) 距离热源5毫米；(c) 距离热源8毫米。
3. UHS技术对C/C复合材料性能的影响
微观结构变化：如图7和图8所示，经过UHS处理后，C/C-TC4接头处形成了不同深度的渗透区域，这是由于氧化间隙为填充材料的渗透提供了通道。这种微观结构的变化有助于提高接头的冶金结合强度。
图 7. 选择性氧化处理后C/C-TC4接头的微观结构。(a) 原始状态；(b) 经过20 A电流处理；(c) 经过30 A电流处理；(d) 经过40 A电流处理。
图 8. (a) C/C-TC4接头的典型微观结构以及 (b) 钛(Ti)、(c) 银(Ag)、(d) 铟(In)、(e) 碳(C)、(f) 铜(Cu)的元素分布。
机械性能提升：如图10所示，经过UHS处理的C/C-TC4接头展现了更高的剪切强度，峰值可达25.3 MPa，是未经氧化处理接头的1.9倍。这表明UHS技术通过改善界面结合显著提高了接头的机械性能。
图 10. 钎焊接头的剪切强度。(a) 采用新型UHS方法进行氧化；(b) 采用传统马弗炉进行氧化。
残余应力降低：如图13所示，有限元模拟结果表明，经过UHS处理后，接头处的残余应力得到了显著降低。这归功于填充金属渗透区域的形成，该区域起到了缓解热膨胀系数不匹配和阻碍裂纹扩展的作用。
图 13. C/C-TC4接头的残余应力分布。(a) 原始C/C；(b) 氧化后的C/C；(c) 白线沿线的米塞斯应力分布；(d) 界面放大区域。
综上所述，UHS技术通过快速加热和精确控制氧化过程，不仅提高了C/C复合材料与金属的界面结合强度，还减少了热损伤，提高了接头的机械性能和可靠性。
