在實(shí)際應(yīng)用中，由于陶瓷材料的本征脆性和不可變形性，制造形狀復(fù)雜的碳化硅構(gòu)件非常困難，采用較小尺寸的零部件連接成大尺寸復(fù)雜形狀的器件是解決碳化硅及其復(fù)合材料加工難問(wèn)題的方法之一。目前，碳化硅及其復(fù)合材料的連接方法有釬焊、擴(kuò)散連接、玻璃相連接、瞬態(tài)共晶相連接等。電場(chǎng)輔助燒結(jié)技術(shù)（electric current field assisted sintering technology, FAST）是在低溫下燒結(jié)高致密精細(xì)陶瓷的有效方法，已在超高溫陶瓷燒結(jié)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

 

　　中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所核能材料團(tuán)隊(duì)與表面技術(shù)團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)FAST瞬態(tài)產(chǎn)生的等離體子體加熱樣品，實(shí)現(xiàn)了碳化硅塊體的連接。研究發(fā)現(xiàn)，高電流或高場(chǎng)強(qiáng)條件下，復(fù)合材料的連接具有局部燒結(jié)機(jī)制，溫度分布只局限在界面附近，可有效控制熱影響區(qū)，保護(hù)體材料。局部加熱導(dǎo)致界面附近具有很高的溫度梯度，可以促進(jìn)元素?cái)U(kuò)散，最終達(dá)到平衡，所以可以在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)樣品的連接。該技術(shù)可以有效避免非連接區(qū)域的高溫?fù)p傷，對(duì)于核用碳化硅基復(fù)合材料包殼有重要的借鑒意義。

 

　　鈦硅碳（Ti3SiC2）具有優(yōu)異的耐高溫和耐腐蝕性能，在高溫下具有準(zhǔn)塑性，并且它的晶格參數(shù)與碳化硅非常匹配（6H-SiC：a=3.079，c=15.12；Ti3SiC2：a=3.068，c=17.669），是碳化硅及其復(fù)合材料焊接層候選材料之一。近期，寧波材料所核能團(tuán)隊(duì)成功用FAST技術(shù)將Ti3SiC2流延膜做中間層實(shí)現(xiàn)了碳化硅陶瓷及其碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料的連接（Journal of Nuclear Materials，466 (2015)：322-327；Carbon，102（2016）：106-115）。除了直接用Ti3SiC2做中間層之外，還可以用Ti做中間層在界面上原位生成Ti3SiC2相，實(shí)現(xiàn)連接。已有文獻(xiàn)報(bào)道用Ti箔做中間層連接碳化硅及其復(fù)合材料，但是在反應(yīng)區(qū)均有Ti-Si脆性相生成。Ti-Si脆性相在中子輻照條件下容易非晶化，并且它的熱膨脹系數(shù)各向異性非常明顯（例如Ti5Si3在a軸和c軸方向上的熱膨脹系數(shù)分別為ac =5.98×10−6 K−1,  cc =16.64×10−6 K−1，兩者之比可達(dá)到αc/αa≅2.7），會(huì)嚴(yán)重削弱連接接頭的力學(xué)性能。通過(guò)研究文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用的中間層Ti箔越厚，在界面上越容易生成Ti-Si脆性相，并且已有研究中所使用的Ti箔大多在微米級(jí)。

 

　　寧波材料所團(tuán)隊(duì)利用物理氣相沉積（Physical vapor deposition，PVD）技術(shù)控制碳化硅表面Ti膜的厚度（100nm、500nm、1μm、6μm），用FAST技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碳化硅的連接。研究表明，中間層的厚度對(duì)連接界面相組成和力學(xué)性能有重要影響。結(jié)果顯示，用1μm Ti膜做中間層時(shí)在600℃的低溫下20min即可實(shí)現(xiàn)碳化硅的連接，其四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度可達(dá)169.7(±37.5)MPa。深入的機(jī)理研究表明中間層的厚度決定了從基體碳化硅中擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的Si原子和C原子在中間層中的濃度，因?yàn)樵谙嗤倪B接溫度下，能量是一定的，濃度的差異會(huì)對(duì)形核和晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響。在反應(yīng)最開始的階段，界面上的碳化硅分解成Si原子和C原子，并且向中間層Ti中擴(kuò)散。由于C原子半徑比較小，擴(kuò)散速度快，會(huì)優(yōu)先擴(kuò)散到中間層上，在界面上生成一層TiC。中間層厚度的影響具體可以分為以下兩種情況:

 

　　(I)納米尺度的Ti膜做中間層

　　中間層比較薄，C原子在中間層中的濃度比較高，形核占主導(dǎo)地位，所以在界面上生成的TiC很致密，這層致密的TiC作為擴(kuò)散壁壘會(huì)阻止Si原子從SiC基體一側(cè)繼續(xù)向未反應(yīng)的Ti膜擴(kuò)散，從而防止了Ti5Si3這種脆性相的生成。隨著連接溫度的升高，新形成的TiC、在致密的TiC層形成之前擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的少量Si原子以及未反應(yīng)的Ti原子反應(yīng)生成三元化合物Ti3SiC2，反應(yīng)方程式為2TiC+Ti+Si= Ti3SiC2。所以納米尺度Ti膜做中間層時(shí)隨著連接溫度的升高，中間層上相的演變順序?yàn)椋篢i→TiC→Ti3SiC2。

　　(II)微米或者亞微米尺度的Ti膜做中間層

　　中間層比較厚，C原子在中間層中的濃度降低，形核比較少，所以在界面上形成的TiC層不致密，從碳化硅中分解出來(lái)的Si原子會(huì)穿過(guò)這層不致密的TiC進(jìn)入到中間層中形成Ti5Si3。隨著連接溫度的升高，反應(yīng)生成的TiC和Ti5Si3以及擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的Si原子反應(yīng)生成三元化合物Ti3SiC2，反應(yīng)方程式為10TiC+ Ti5Si3+2Si=5Ti3SiC2。所以微米或者亞微米尺度的Ti膜做中間層時(shí)隨著連接溫度的升高，中間層上相的演變順序?yàn)椋篢i→TiC+Ti5Si3→TiC+ Ti3SiC2。

當(dāng)溫度增加到1500°C或者更高時(shí)，少量Ti3SiC2會(huì)發(fā)生分解生成TiC：Ti3SiC2→Si(g)↑+3TiC0.67，同時(shí)Ti3SiC2分解得到的Si原子會(huì)向界面擴(kuò)散并且捕獲C原子，在界面上形成SiC相或者富Si的Si1+xC非晶相，實(shí)現(xiàn)部分無(wú)縫連接。

 

　　以上研究結(jié)果表明傳統(tǒng)碳化硅的連接中，通過(guò)控制原始中間層的厚度，可控制中間層與SiC的界面反應(yīng)以及界面相組成，從而實(shí)現(xiàn)SiC的低溫快速有效連接。輻照條件下連接層的耐腐蝕、耐輻照、耐高溫取決于中間連接層的相組成和分布，因此該研究對(duì)于核用碳化硅連接技術(shù)有重要的借鑒作用，并得到審稿人的高度評(píng)價(jià)。該工作已在國(guó)際期刊《歐洲陶瓷學(xué)會(huì)雜志》（Journal of the European Ceramic Society）上在線出版。

 

　　該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（NO.91226202，NO.91426304和NO.51502310）、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)（NO.XDA03010305）的支持。