透明陶瓷材料電場輔助快速連接研究獲進展

發布時間：2023-12-07 13:41 原文鏈接：透明陶瓷材料電場輔助快速連接研究獲進展

　　以鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）和氧化釔陶瓷（Y2O3）為代表的高光學質量透明陶瓷，因優異的綜合物理化學性能，在激光、高技術和醫療等領域應用廣泛。然而，受限于陶瓷材料本身的脆性與難加工特性，透明陶瓷的連接是實際工程應用過程中面臨的關鍵技術難題。目前，已有多種應用于透明陶瓷的連接技術，如機械連接、擴散連接、釬焊連接等，但均難以解決連接部件同時具有高連接強度與良好光學透過率的要求。近幾年，受到閃速燒結（Flash sintering）技術的啟發，電場輔助快速連接技術應運而生。這一技術通過施加閾值直流電場激發大量氧缺陷，在力-熱-電三場耦合作用下，能夠在極短的時間內（秒級）實現陶瓷材料的連接。

　　中國科學院上海硅酸鹽研究所先進碳化物陶瓷材料課題組研究員劉巖首次提出將電場輔助快速連接技術應用于透明陶瓷的連接。近期，該團隊實現了鎂鋁尖晶石/鎂鋁尖晶石以及氧化釔透明陶瓷/鈦合金之間的電場輔助快速連接，通過對工藝參數、連接強度和界面形貌的調控，在1500℃/(5v/cm)/180秒的工藝條件下獲得抗彎強度達到256MPa（母材自身強度的114%）且在中紅外波段透過率達到85%的MgAl2O4/ MgAl2O4連接件，同時，采用電場輔助快速連接技術同樣實現了Y2O3透明陶瓷與TC4鈦合金的連接，且連接部件最高抗剪切強度達到36±2 MPa。該團隊通過對連接界面物相分析、有限元模擬、阻抗分析等方法，對透明陶瓷電場輔助快速連接機理提出了新見解。對于透明陶瓷間的連接而言，接觸阻抗導致焦耳熱在接合界面附近積聚，使得擴散系數增大并促進肖特基缺陷的形成，同時缺陷沿電場方向快速遷移，實現界面連接；對于透明陶瓷與金屬間的連接而言，電場和電流的協同作用，氧空位在閾值電場作用下生成并與電子結合，在界面附近聚集成微孔，同時在焦耳加熱和電流電遷移的共同作用下與原子/離子發生快速反應而實現連接。

　　相關研究成果發表在《歐洲陶瓷學會志》上，并申請中國發明專利。研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。

　　近年來，該團隊開發出碳化硅陶瓷NITE連接技術、碳化硅陶瓷低溫玻璃焊接技術等多種先進陶瓷連接技術。