博文

北京工业大学/哈尔滨工业大学：飞秒激光诱导界面蜂窝结构实现YSZ/蓝宝石微焊接

已有 545 次阅读 2025-3-20 08:54 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Zhang S, Li X, Lu F, et al. Femtosecond laser-induced honeycomb structure on the interface for the micro-welding of YSZ/Sapphire. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221052

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221052

ResearchGate： https://www.researchgate.net/publication/389286541_Femtosecond_laser-induced_honeycomb_structure_on_the_interface_for_the_micro-welding_of_YSZSapphire

1、研究背景：

随着5G时代的到来，先进陶瓷材料具有其他终端材料所不具备的优异性能，在消费电子领域得到了快速发展。其中蓝宝石具有优良的光学性能与热稳定性，已成为最重要的介电材料之一，常用于各类显示屏与窗口盖板。钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷凭借其高强度、高介电常数和化学稳定性，成为各类智能终端产品机体的最佳材料。探究两者的连接方式与机理，有助于扩大光学窗口的应用范围，为智能终端设备的发展提供新思路。

受限于陶瓷的脆性，传统焊接方式由于较大的热输入与能量条件，在面对异种陶瓷连接时难以实现有效连接。飞秒激光脉冲作为一种新兴的材料连接技术，凭借其独特的超短脉冲时间和高度集中的能量优势，可显著降低接头处的热应力，增强接头强度，能够有效避免传统焊接中硬脆材料的开裂问题，显著提升焊接质量。这一特性使飞秒激光在陶瓷材料连接，尤其是热膨胀系数差异较大的异种陶瓷焊接中，展现出巨大的潜力和广泛的应用前景。

2、研究简介：

近日，北京工业大学潘瑞副教授联合哈尔滨工业大学何鹏、林铁松研究团队，采用纳米级Ti作为中间层，应用飞秒激光脉冲焊接技术，成功实现了YSZ与蓝宝石之间高强度、可靠的焊接。这是金属夹层法首次成功应用于异种陶瓷的飞秒激光焊接，同时在焊接接头中发现了一种非常有趣的蜂窝过渡结构的新界面形态。通过研究YSZ/蓝宝石接头的相组成，并从能量学和晶体学两方面初步揭示了接头的形成机理。我们发现，Ti金属层的存在优化了界面吸收激光能量后的温度分布，增加了微焊接过程中界面的流动性，促进了过渡蜂窝结构的形成。此外，我们还探讨了不同激光功率水平对接头性能和强度的影响。我们认为观察到的蜂窝结构增强了两种陶瓷之间的界面转变。这些发现为异种陶瓷的有效和高质量连接提供了有价值的见解。

3、图文导读：

飞秒激光脉冲焊接的YSZ/蓝宝石接头的光学与微观结构图，可观察到接头明显被划分为两个区域：左侧的连续致密区域和右侧的蜂窝结构区域。

图1 飞秒激光焊接YSZ/蓝宝石接头的微观结构：(a-b) 光学形貌; (c-f)显微组织

通过TEM分析测试，发现连续结构区域主要由Al₂O₃-ZrO₂共晶陶瓷组成并在其中夹杂部分非晶陶瓷相，蜂窝结构区域主要由再结晶的ZrO₂和蓝宝石基体组成。

图2 TEM观察YSZ/蓝宝石接头中的连续结构区域

图3 TEM观察YSZ/蓝宝石接头中的蜂窝结构区域

通过对蜂窝结构进行TKD分析发现，蜂窝结构周围的Al₂O₃晶体取向保持一致，符合蓝宝石的晶体特征，而ZrO₂晶体则表现出不同的晶体取向表明其是由再结晶形成。这一结果表明在蜂窝结构的区域只有部分材料熔化，蓝宝石基体并未完全熔化。

图4 蜂窝结构区域TKD图像

对接头界面温度过程进行模拟计算，界面热效应最初起始于Ti金属层区域，经过电子-声子耦合过程达到平衡后逐步扩散至周围陶瓷材料区域中，并随着激光脉冲的重复过程形成能量的逐步积累。

图5 单脉冲激光作用下界面的温度演变

通过DFT对界面中蓝宝石晶体的表面能进行计算表征发现，在表面能更低的晶体方向上蓝宝石更容易发生原子分离，因此在这些方向上蓝宝石更容易熔化。在此基础上揭示蜂窝结构的形成原因：由于激光作用下界面的能量温度呈现梯度分布，距离焦点中心越远的区域能量和温度越低。当界面中熔化的液相渗透进入蓝宝石内部时，液相所具有的能量不足以使蓝宝石基体全部熔化，因此蓝宝石出现了选择性熔化的结果。

图6 蜂窝结构区域的晶体特征

图7 YSZ/蓝宝石接头形成过程及机理示意图

5、作者及研究团队简介

超快激光精密加工实验室，研究团队学术带头人为陈树君教授。团队成员主要从事与材料表/界面相关的研究，在透明硬脆材料超快激光同/异质连接、超快激光微纳加工以及仿生功能表面制备等方面进行了系统研究工作，在超快激光与材料的相互作用机制、透明硬脆材料-金属异质接头缺陷抑制与性能调控，以及超亲/超疏功能表面多级微纳结构制造等方面，积累了一定的理论和实验研究基础。

本论文合作团队是哈尔滨工业大学新材料及异种材料连接科研团队，依托于材料结构精密焊接与连接全国重点实验，学术带头人为何鹏教授和林铁松教授，主导建立了陶瓷材料焊接创新研究方向。多年来，该研究团队在AlN陶瓷、Al2O3陶瓷、蓝宝石、SiC陶瓷、ZrC复合陶瓷、铁氧体功能陶瓷、TiB2陶瓷基复合此材料、C/C复合材料和C/SiC复合材料等连接方面进行了深入系统的研究工作，在陶瓷连接接头的界面反应相，界面反应层结构及反应层成长规律积累了充分的基础理论和实践经验。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目。