上海硅酸盐所在透明陶瓷材料电场辅助快速连接方面取得进展

原创 上海硅酸盐所

以镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)和氧化钇陶瓷(Y₂O₃)为代表的高光学质量透明陶瓷因其优异的综合物理化学性能在激光、高技术和医疗等诸多领域具有广泛应用。然而，受限于陶瓷材料本身的脆性及难加工特性，透明陶瓷的连接是实际工程应用过程中面临的关键技术难题。目前，已有多种应用于透明陶瓷的连接技术，如机械连接、扩散连接、钎焊连接等，但均难以解决连接部件同时具有高连接强度及良好光学透过率的要求。近几年，受到闪速烧结(Flash sintering)技术的启发，电场辅助快速连接技术应用而生，通过施加阈值直流电场激发大量氧缺陷，在力-热-电三场耦合作用下，能够在极短的时间内（秒级）实现陶瓷材料的连接。

中国科学院上海硅酸盐研究所先进碳化物陶瓷材料课题组刘岩研究员首次提出将电场辅助快速连接技术应用于透明陶瓷的连接。近期，研究团队实现了镁铝尖晶石/镁铝尖晶石以及氧化钇透明陶瓷/钛合金之间的电场辅助快速连接，通过对工艺参数、连接强度和界面形貌的调控，研究团队在1500℃/(5v/cm)/180秒的工艺条件下获得抗弯强度达到256MPa（母材自身强度的114%）且在中红外波段透过率达到85%的MgAl₂O₄/ MgAl₂O₄连接件；此外，采用电场辅助快速连接技术同样实现了Y₂O₃透明陶瓷与TC4钛合金的连接，连接部件最高抗剪切强度达到36±2 MPa。通过对连接界面物相分析、有限元模拟、阻抗分析等方法，研究团队对透明陶瓷电场辅助快速连接机理提出了新的见解，对于透明陶瓷间的连接而言，接触阻抗导致焦耳热在接合界面附近积聚，使得扩散系数增大并促进肖特基缺陷的形成，同时缺陷沿电场方向快速迁移，实现界面连接；对于透明陶瓷与金属间的连接而言，电场和电流的协同作用，氧空位在阈值电场作用下生成并与电子结合，在界面附近聚集成微孔，同时在焦耳加热和电流电迁移的共同作用下与原子/离子发生快速反应而实现连接。相关研究成果已在J. Eur. Ceram. Soc. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.11.033、.J.Eur.Ceram.Soc.44(2023):408-418 、Ceram.Int.48(2022):32561-32565发表，同时申请中国发明专利3项，论文第一作者为上海硅酸盐所硕博研究生李天宇和硕博研究生张珂颖，通讯作者为刘岩研究员和黄政仁研究员。同时，该研究团队近年来相继开发了碳化硅陶瓷NITE连接技术、碳化硅陶瓷低温玻璃焊接技术等多种先进陶瓷连接技术，相关研究成果获国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助和支持。

MgAl₂O₄/ MgAl₂O₄电场辅助快速连接过程电压电流变化图及连接件透过率

Y₂O₃/TC4电场辅助快速连接界面示意图

氧化钇透明陶瓷与钛合金电场辅助快速连接过程示意图