Nature Communications：陶瓷纳米线焊接

【引言】

和金属材料相比，陶瓷具有耐高温、硬度高、化学稳定好以及密度小等优点，但目前还没有技术能够很好地实现陶瓷部件连接，并保持其良好的性能。因此，合适的连接技术成为陶瓷大量应用的关键，如果能将陶瓷材料连接起来并使其具有良好的性能就显得十分有意义。

【成果简介】

近日，中国石油大学（北京）李永峰教授，西安交通大学单智伟教授和燕山大学黄建宇教授（共同通讯作者）在Nature Communications上发表最新研究成果“Ceramic nanowelding”。在该文中，研究人员介绍了一种用于陶瓷纳米线焊接的技术。采用该连接技术得到的接头力学性能比原始纳米线的性能还要好。作者在CO₂氛围下，借助先进的球差环境透射电子显微镜（ETEM），以多孔MgO为钎料，通过化学反应MgO + CO₂ → MgCO₃实现了陶瓷的连接。该技术不仅能够实现MgO，CuO和V₂O₅ 纳米线的连接，并进行了拉伸实验，而且可以连接宏观的陶瓷材料SiO₂，这也意味着该技术未来可能用在陶瓷工具和器件上。

【图文导读】

图1 陶瓷纳米焊接的示意图

（a）陶瓷纳米线焊接的示意图

（b）实验中用到的STM针尖的实物图

比例尺为0.5cm。

图2 MgO陶瓷纳米线的焊接过程

（a）-（c）MgO纳米线和钨电极的第一次焊接实验

（a）钨棒靠近MgO纳米线

（b）MgO纳米线和钨棒进行焊接

（c）对焊接到钨棒上的MgO纳米线进行拉伸实验，断裂位置在连接处的右侧。

（d）-（f）第二次焊接实验

（d）焊接到钨棒上的MgO纳米线靠近第二根MgO纳米线

（e）将第二根MgO纳米线和第一根焊接在一起

（f）第二根MgO纳米线在拉伸载荷作用下断裂在接合处右侧

（g）-（i）第三次焊接实验

（g）第一次和第二次焊接的MgO纳米线靠近第三根

（h）将之前焊接好的MgO纳米线和第三根焊接

（i）在拉伸载荷作用下，第三根MgO纳米线断裂在连接处右侧

（j）b图矩形区的放大图

（k）e图矩形区的放大图

（l）h图矩形区的放大图

a-i的比例尺为5μm，j-l为200nm。

图3纳米线焊接过程中的结构变化

（a，e）焊接之前，两根MgO纳米线互相靠近

（b，f）在充满CO₂气体的ETEM中，经电子束照射，MgO纳米线接触，MgO和CO₂发生反应

（c，g）两根MgO纳米线焊接到一起后产生的孔洞

（d，h）将ETEM中的CO₂气体排出，继续电子束照射，焊点从灰色无定型态变成纳米晶

（i-j）图（e-h）对应的衍射图像

（m，n）原始MgO，MgCO₃以及MgCO₃分解得到的MgO纳米晶的低损和铁芯损耗电子能量损失谱

图4 焊接的陶瓷纳米线的原位拉伸

（a）用于拉伸实验的原位TEM-AFM装置的示意图。

（b）实验装置的实物图

（c）未焊接的MgO纳米线的拉伸实验

（d）CuO陶瓷纳米线的拉伸实验

比例尺尺寸：(b) 10 μm; (c) 1 μm; (d) 200 nm

【小结】

基于化学反应MgO + CO₂ → MgCO₃可以实现陶瓷纳米材料的连接。在电子束照射下，形成的MgCO₃分解为MgO纳米晶，并放出CO₂。焊接接头处形成的致密的MgO纳米晶使得纳米线的力学性能非常好，接头强度达到2.8 GPa。该技术可以用于焊接陶瓷纳米线，并可用于原位拉伸。此外，该技术不仅可以连接纳米线，还可以连接宏观的陶瓷材料。

文献链接：Ceramic nanowelding(Nat. Commun., 2018, doi:10.1038/s41467-017-02590-1)

本文由材料人新人组杨树供稿，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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