【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】碳化硅(SiC)具有良好的耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、耐輻照性能，且高溫力學和導熱性能優(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雜形狀的碳化硅陶瓷及其復合材料構(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合材料的應(yīng)用。
 

　　中國科學院寧波材料技術(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，為大尺寸復雜形狀碳化硅陶瓷及其復合材料的制造和非導電陶瓷及其復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基金(U2330103、11975296、12275337)、浙江省自然科學基金重點項目(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