电化学驱动金属/氧化锆界面结合与调控

Metal–zirconia bonding has important applications in industrial and technical fields such as fuel cells, oxygen sensors and thermal barrier coatings. Traditional research seldom concerns the influences of ZrO2 ionic conductivity at elevated temperatures on the metal–ceramic bonding. In our previous work, we found that applying a minor direct current can significantly promote the wettability in metal (Al,Cu)/ZrO2 systems. This inspires us to propose a new strategy to achieve efficient metal–ZrO2 bonding based on the idea of electrochemical regulation of oxygen ion movement inside ZrO2 and interfacial chemistry. In this project, we aim to explore the new modes of metal (stainless steel, Ni, etc)/ZrO2 joining under liquid or solid state with or without using an intermediate layer by selecting some characteristic systems, to establish the intrinsic relationship between the oxygen ion transfer dynamics and interfacial chemistry under the electrochemical driving, to clarify the influences of electric and joining parameters on the interfacial structures and mechanical properties, and to disclose the mechanisms for the growth control of reaction layers and the fracture of joints. These results are expected to lay the foundation for the regulation of the microstructures and the optimization of the performance of the electrochemically-induced metal–zirconia bonds, as well as to provide new strategies and methods for the joining or composite fabrication of the metal–electrolytic ceramics and for the design and control of the interfaces during materials processing under the application of an electric field.

金属–氧化锆连接在燃料电池、氧传感器、热障涂层等工业和技术领域有重要应用。传统的连接研究极少关注氧化锆自身的高温离子导电性对界面结合的影响。我们在前期研究中发现：在金属(Al,Cu)/氧化锆体系中，施加电流可显著促进润湿。这启发我们提出基于电化学调控氧化锆内部氧离子运动和界面化学进而实现金属–氧化锆高效连接的新思想。在本项目中，我们拟选择特征体系，探索在恒定/脉冲电流作用下采用非活性柔性金属或不采用任何中间层，液相或固相连接金属(不锈钢、镍等)–氧化锆的新模式，建立电化学驱动下氧化锆内部氧离子传质动力学与界面化学之间的内在联系，阐明电参量与连接工艺对接头界面结构和力学性能的影响规律，揭示反应层生长控制与接头断裂机制，为实现电化学驱动连接金属–氧化锆接头的组织调控与性能优化奠定基础，同时也为通电条件下金属–电解质陶瓷连接或复合材制备及其加工过程中界面的设计与调控提供新策略和新方法。

金属–氧化锆(YSZ)连接在燃料电池、氧传感器、热障涂层等工业和技术领域有重要应用。传统的连接研究极少关注氧化锆自身的高温离子导电性对界面结合的影响。在本项目中，我们提出了电化学调控氧化锆内部氧离子运动和界面化学进而实现金属–氧化锆润湿和高效连接的新思想。通过选择特征体系，探索了恒定/脉冲电流作用下采用非活性柔性金属(Ag,Cu,Ag-Cu共晶)或不采用中间层，钎焊或瞬态液相或直接扩散连接金属(不锈钢、镍基高温合金等)–氧化锆的新模式。研究发现：施加电场，无论是恒定直流还是脉冲电流，无论极性正反，都可以显著促进非活性柔性钎料如Ag,Cu,Ag-Cu合金在YSZ上的快速润湿。在相同电流下，润湿性72Ag-28Cu>Ag>Cu。润湿机制与电流极性密切相关。当金属/YSZ界面处于阴极时，润湿性主要通过在界面处形成亚化学计量ZrO2-δ和金属Zr来得以改善。在相反极性下，润湿性依靠YSZ中的氧运动到固-液界面以及在熔体表面的吸附和富集，从而降低了固-液和固-气(或真空)界面能而实现改善。基于以上润湿结果，在金属/YSZ界面处于阴极条件下，通过钎焊或瞬态液相连接实现了3YSZ与金属(如不锈钢，纯Ni或Ni基高温合金)的快速高强度连接(连接时间控制在秒级，强度达几百MPa)。阐明了电场作用下接头界面元素扩散行为及共晶液相形成动力学，电参量与连接工艺对接头界面结构和接合性能的影响规律；利用有限元模拟分析了电流作用下的焦耳热效应以及界面结构演变对残余应力分布和接头强度的影响，揭示出工艺参数-界面结构-接头强度-断裂模式之间的联系。进一步，将这一技术推广到YSZ的烧结致密化及其与金属的原位连接。总之，本项目为实现金属–电解质(如YSZ)快速连接与复合、界面组织调控及性能优化提供了一种新颖、有效而简单的方法。研究结果有助于解决传统钎焊、TLP或扩散焊中存在的高温、长时间、严重的界面反应和接头强度低等问题。