摘要：

以鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)和氧化釔陶瓷(Y2O3)為代表的高光學(xué)質(zhì)量透明陶瓷因其優(yōu)異的綜合物理化學(xué)性能在激光、高技術(shù)和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。然而，受限于陶瓷材料本身的脆性及難加工特性，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)度及良好光學(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)用而生，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劉巖研究員首次提出將電場(chǎng)輔助快速連接技術(shù)應(yīng)用于透明陶瓷的連接。近期，研究團(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，研究團(tuán)隊(duì)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；此外，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，連接部件最高抗剪切強(qiáng)度達(dá)到36±2 MPa。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，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)透明陶瓷電場(chǎng)輔助快速連接機(jī)理提出了新的見解，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發(fā)表，同時(shí)申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng)，論文第一作者為上海硅酸鹽所碩博研究生李天宇和碩博研究生張珂穎，通訊作者為劉巖研究員和黃政仁研究員。同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)相繼開發(fā)了碳化硅陶瓷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)，相關(guān)研究成果獲國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助和支持。

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1.上海硅酸鹽所在透明陶瓷材料電場(chǎng)輔助快速連接方面取得進(jìn)展