Nature Communications：陶瓷納米線焊接

【引言】

和金屬材料相比，陶瓷具有耐高溫、硬度高、化學穩定好以及密度小等優點，但目前還沒有技術能夠很好地實現陶瓷部件連接，并保持其良好的性能。因此，合適的連接技術成為陶瓷大量應用的關鍵，如果能將陶瓷材料連接起來并使其具有良好的性能就顯得十分有意義。

【成果簡介】

近日，中國石油大學（北京）李永峰教授，西安交通大學單智偉教授和燕山大學黃建宇教授（共同通訊作者）在Nature Communications上發表最新研究成果“Ceramic nanowelding”。在該文中，研究人員介紹了一種用于陶瓷納米線焊接的技術。采用該連接技術得到的接頭力學性能比原始納米線的性能還要好。作者在CO₂氛圍下，借助先進的球差環境透射電子顯微鏡（ETEM），以多孔MgO為釬料，通過化學反應MgO?+?CO₂?→?MgCO₃實現了陶瓷的連接。該技術不僅能夠實現MgO，CuO和V₂O₅?納米線的連接，并進行了拉伸實驗，而且可以連接宏觀的陶瓷材料SiO₂，這也意味著該技術未來可能用在陶瓷工具和器件上。

【圖文導讀】

圖1 陶瓷納米焊接的示意圖

（a）陶瓷納米線焊接的示意圖

（b）實驗中用到的STM針尖的實物圖

比例尺為0.5cm。

圖2 MgO陶瓷納米線的焊接過程

（a）-（c）MgO納米線和鎢電極的第一次焊接實驗

（a）鎢棒靠近MgO納米線

（b）MgO納米線和鎢棒進行焊接

（c）對焊接到鎢棒上的MgO納米線進行拉伸實驗，斷裂位置在連接處的右側。

（d）-（f）第二次焊接實驗

（d）焊接到鎢棒上的MgO納米線靠近第二根MgO納米線

（e）將第二根MgO納米線和第一根焊接在一起

（f）第二根MgO納米線在拉伸載荷作用下斷裂在接合處右側

（g）-（i）第三次焊接實驗

（g）第一次和第二次焊接的MgO納米線靠近第三根

（h）將之前焊接好的MgO納米線和第三根焊接

（i）在拉伸載荷作用下，第三根MgO納米線斷裂在連接處右側

（j）b圖矩形區的放大圖

（k）e圖矩形區的放大圖

（l）h圖矩形區的放大圖

a-i的比例尺為5μm，j-l為200nm。

圖3納米線焊接過程中的結構變化

（a，e）焊接之前，兩根MgO納米線互相靠近

（b，f）在充滿CO₂氣體的ETEM中，經電子束照射，MgO納米線接觸，MgO和CO₂發生反應

（c，g）兩根MgO納米線焊接到一起后產生的孔洞

（d，h）將ETEM中的CO₂氣體排出，繼續電子束照射，焊點從灰色無定型態變成納米晶

（i-j）圖（e-h）對應的衍射圖像

（m，n）原始MgO，MgCO₃以及MgCO₃分解得到的MgO納米晶的低損和鐵芯損耗電子能量損失譜

圖4 焊接的陶瓷納米線的原位拉伸

（a）用于拉伸實驗的原位TEM-AFM裝置的示意圖。

（b）實驗裝置的實物圖

（c）未焊接的MgO納米線的拉伸實驗

（d）CuO陶瓷納米線的拉伸實驗

比例尺尺寸：(b) 10 μm; (c) 1 μm; (d) 200?nm

【小結】

基于化學反應MgO?+?CO₂?→?MgCO₃可以實現陶瓷納米材料的連接。在電子束照射下，形成的MgCO₃分解為MgO納米晶，并放出CO₂。焊接接頭處形成的致密的MgO納米晶使得納米線的力學性能非常好，接頭強度達到2.8?GPa。該技術可以用于焊接陶瓷納米線，并可用于原位拉伸。此外，該技術不僅可以連接納米線，還可以連接宏觀的陶瓷材料。

文獻鏈接：Ceramic nanowelding(Nat. Commun., 2018, doi:10.1038/s41467-017-02590-1)

本文由材料人新人組楊樹供稿，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！