寧波材料所實現(xiàn)秒級碳化硅陶瓷無壓連接
碳化硅（SiC）具有良好的耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、耐輻照性能，且高溫力學(xué)和導(dǎo)熱性能優(yōu)異，在航空航天、核能等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是未來先進核能系統(tǒng)中核燃料包殼管以及航空發(fā)動機渦輪葉片等部件的候選材料之一。然而，碳化硅具有強共價鍵結(jié)構(gòu)，熔點高、表面自擴散系數(shù)低，一次成型制備大尺寸復(fù)雜形狀的碳化硅陶瓷及其復(fù)合材料構(gòu)件面臨巨大挑戰(zhàn)。比如碳化硅纖維增強碳化硅復(fù)合材料核燃料包殼管與端塞的核級連接密封技術(shù)已成為抑制其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。因此，亟須開發(fā)可靠的連接技術(shù)，進一步推動碳化硅陶瓷及其復(fù)合材料的應(yīng)用。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所浙江省全省數(shù)據(jù)驅(qū)動高安全能源材料及應(yīng)用重點實驗室長期致力于碳化硅陶瓷及其復(fù)合材料連接技術(shù)的研究。在前期工作中，實驗室提出以RE3Si2C2作為連接層，利用其在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)橐合喽龠M界面析出碳化硅與基體碳化硅燒結(jié)一體化的機制，實現(xiàn)了碳化硅陶瓷以及碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料的無縫連接（J. Eur. Ceram. Soc. 2020, 40, 259,?J. Eur. Ceram. Soc. 2020, 40, 1043,?J. Eur. Ceram. Soc. 2020, 40, 5172,?J. Eur. Ceram. Soc. 2021, 41, 1834,?J. Eur. Ceram. Soc. 2021, 41, 7507,?J. Adv. Ceram. 2022, 11, 1196,?J. Eur. Ceram. Soc. 2022, 42, 6865，J. Am. Ceram. Soc. 2023, 106, 5679）。碳化硅陶瓷及其復(fù)合材料無縫連接的實現(xiàn)，有效解決了傳統(tǒng)異質(zhì)連接層與基體碳化硅之間的熱失配及輻照腫脹失配的關(guān)鍵科學(xué)問題。然而，該技術(shù)通常需要施加50?MPa壓力，連接過程需要在大型燒結(jié)設(shè)備中完成，工藝周期長，在一定程度上限制了其工業(yè)化應(yīng)用。
近期，實驗室提出了一種超快速無壓連接SiC陶瓷的新方法。該方法基于焦耳定律，采用Al箔為初始連接層，利用Al與SiC界面反應(yīng)生成Al-C和Al-Si-C等高阻態(tài)界面相，從而大大提高界面接觸電阻，并在界面局部產(chǎn)生瞬態(tài)焦耳熱，在23秒內(nèi)實現(xiàn)了SiC陶瓷的無壓連接，剪切強度可達76?±?12?MPa。所提出的基于界面反應(yīng)焦耳熱效應(yīng)超快速無壓連接方法，為大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷及其復(fù)合材料的制造和非導(dǎo)電陶瓷及其復(fù)合材料的快速無壓連接提供了新策略。
該成果以“Joule Heating Enables Ultra-Fast SiC Ceramics Joining in Seconds”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Scripta Materialia（DOI: 10.1016/j.scriptamat.2025.116721）上。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（U2330103、11975296、12275337）、浙江省自然科學(xué)基金重點項目（LZ24A050004）以及寧波市青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項目（2023QL043）的支持。
基于界面反應(yīng)相變焦耳熱效應(yīng)的碳化硅陶瓷超快速無壓連接示意圖
（先進核能材料實驗室）
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