Page 60 - 东莞市厚街中学2025届高三毕业纪念

PAGE/59 成都工业学院科研成果汇编

6. 界面掺杂石墨烯的 Ti-ZrO2 双层复合材料制备基础研究

项目简介

ZrO 2 /Ti 连接件兼具陶瓷和金属的优异性能，可用于航空航天高温耐热构件、人工植入体、核反应堆氧传感器和燃料
电池等高精尖工业技术领域，有巨大潜力满足国家对陶瓷 - 金属连接件的共性重大需求。欧美等工业发达国家将陶瓷与金
属之间的连接技术列为高精尖工业技术的重要前沿方向之一；我国也将该技术列入国家高技术研究发展计划中的高新科技。
当前商业化钎料 Ag-Cu-Ti 由于低熔点和富含重金属 Cu，对 ZrO 2 /Ti 连接构件使役场景和应用范围产生严重制约，而
ZrO 2 的高化学稳定性以及 Ti 与 O 之间的高亲和性导致难以调控 ZrO 2 /Ti 界面扩散反应产物，成为桎梏 ZrO 2 /Ti 扩散焊接
头质量的瓶颈问题。那么开发、使用一种新型的中间层材料控制氧空位的扩散，进而调控陶瓷侧反应层的生长，将是实现
ZrO 2 /Ti 扩散焊接的一种可行途径。
为实现上述目的，本项目在前期探索性研究中提出采用石墨烯 / 聚氨酯海绵作为中间层辅助实现 ZrO 2 /Ti 的扩散焊接。
思路如下：在 ZrO 2 /Ti 界面插入一层碳质薄膜，由于碳原子半径小，其扩散属于间隙原子扩散，Ti 和 ZrO 2 之间的扩散属
于空位扩散。一般而言间隙扩散的活化能远低于空位扩散，相同温度条件下，前者扩散速度更占优势。因此在界面扩散过程中，
碳原子优先占据 Ti 和 ZrO 2 晶格中的空位和间隙，形成与 Ti 和 ZrO 2 互扩散方向相反的逆向扩散。减少 Ti 和 ZrO 2 之间相
互扩散所需要的空位位置，阻碍其元素扩散，避免形成 TiO 2 和 ZrTiO 4 等富氧中间相，从而实现界面的扩散连接。
二维材料石墨烯作为一种具有高比表面积的非多孔性碳质材料，有利于在极小引入量的前提下，最大程度覆盖界面。
然而石墨烯是二维纳米材料，易团聚，团聚颗粒之间总是会造成间隙的存在，达不到完全覆盖界面的效果。借助于具有三
维网状结构的聚氨酯海绵的配合使用可有效覆盖整个界面 ( 聚氨酯海绵在高温分解为残炭，是碳质薄膜中间层的主要碳源 )，
切断 Ti 和 ZrO 2 的直接接触，减少其扩散通道，达到调控界面反应产物及性能的目的。

使用石墨烯 / 聚氨酯海绵辅助扩散焊接 ZrO 2 /Ti 接头，其主要潜在优势如下：(1). 只额外引入非常少量的单一碳元素，
不提供形成金属间化合物的其它多组元金属，避免金属间化合物的形成。(2). 碳熔点超高 (3500℃以上 )，其微量引入与
ZrO 2 陶瓷耐高温特性不冲突，有利于充分发挥 ZrO 2 陶瓷在航空航天高温领域的应用优势。(3). 碳元素对人体的毒性极低，
其微量引入与 Ti 和 ZrO 2 优异的生物相容性不冲突，有利于推广 ZrO 2 /Ti 连接件在人工植入体领域的应用。

70 (b)
60 50
Concentration (at. %) 40 30 20 O
Ti
Zr
Y
0 10 C
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Distance (µm)
Ti-ZrO2 连接件制备

技术指标

序号 指标名称 参数
1 界面结合强度 从原来为零上升至 48.5 ± 7.0 MPa

项目成熟度 转化方式

实验室开发阶段 技术入股、技术服务