【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】以鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)和氧化釔陶瓷(Y2O3)為代表的高光學(xué)質(zhì)量透明陶瓷，因優(yōu)異的綜合物理化學(xué)性能，在激光、高技術(shù)和醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)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(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題。目前，已有多種應(yīng)用于透明陶瓷的連接技術(shù)，如機(jī)械連接、擴(kuò)散連接、釬焊連接等，但均難以解決連接部件同時(shí)具有高連接強(qiáng)度與良好光學(xué)透過(guò)率的要求。近幾年，受到閃速燒結(jié)(Flash sintering)技術(shù)的啟發(fā)，電場(chǎng)輔助快速連接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這一技術(shù)通過(guò)施加閾值直流電場(chǎng)激發(fā)大量氧缺陷，在力-熱-電三場(chǎng)耦合作用下，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)(秒級(jí))實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的連接。
 

　　中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所先進(jìn)碳化物陶瓷材料課題組研究員劉巖首次提出將電場(chǎng)輔助快速連接技術(shù)應(yīng)用于透明陶瓷的連接。近期，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)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(chǎng)輔助快速連接，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)、連接強(qiáng)度和界面形貌的調(diào)控，在1500℃/(5v/cm)/180秒的工藝條件下獲得抗彎強(qiáng)度達(dá)到256MPa(母材自身強(qiáng)度的114%)且在中紅外波段透過(guò)率達(dá)到85%的MgAl2O4/ MgAl2O4連接件，同時(shí)，采用電場(chǎng)輔助快速連接技術(shù)同樣實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度達(dá)到36±2 MPa。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)連接界面物相分析、有限元模擬、阻抗分析等方法，對(duì)透明陶瓷電場(chǎng)輔助快速連接機(jī)理提出了新見(jiàn)解。對(duì)于透明陶瓷間的連接而言，接觸阻抗導(dǎo)致焦耳熱在接合界面附近積聚，使得擴(kuò)散系數(shù)增大并促進(jìn)肖特基缺陷的形成，同時(shí)缺陷沿電場(chǎng)方向快速遷移，實(shí)現(xiàn)界面連接；對(duì)于透明陶瓷與金屬間的連接而言，電場(chǎng)和電流的協(xié)同作用，氧空位在閾值電場(chǎng)作用下生成并與電子結(jié)合，在界面附近聚集成微孔，同時(shí)在焦耳加熱和電流電遷移的共同作用下與原子/離子發(fā)生快速反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)連接。
 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《歐洲陶瓷學(xué)會(huì)志》上，并申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
 

　　近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出碳化硅陶瓷NITE連接技術(shù)、碳化硅陶瓷低溫玻璃焊接技術(shù)等多種先進(jìn)陶瓷連接技術(shù)。
 

　　MgAl2O4/ MgAl2O4電場(chǎng)輔助快速連接過(guò)程電壓電流變化圖及連接件透過(guò)率

 

鎂鋁尖晶石透明陶瓷電場(chǎng)輔助快速連接機(jī)理圖
 

Y2O3/TC4電場(chǎng)輔助快速連接界面示意圖
 

氧化釔透明陶瓷與鈦合金電場(chǎng)輔助快速連接過(guò)程示意圖