2024年9月27日，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室温斌、张利强联合香港大学陆洋在Matter期刊上发表了一篇题为“Nanoscale cold welding of glass”的研究成果。
该成果报道了一种用于纳米级非晶态二氧化硅（石英玻璃）的电子束辅助冷焊技术。该技术能够将石英玻璃纳米球在室温下直接焊接，焊接后的接头强度、成分和结构与原始石英玻璃相同，焊接后的直径与原始石英玻璃纳米球的直径相同甚至更小。利用该方法还能够组装不同形状的石英玻璃纳米结构，其结构精度仅受原料粒子尺寸的影响。该技术有望应用于超高精度的3D打印，为纳米级玻璃器件的精密增材制造提供了可能。
论文通讯作者是温斌、陆洋、张利强；第一作者是郭云娜、崔晗涛。
非晶态二氧化硅（石英玻璃）具有优异的光学透明度、热稳定性、化学稳定性和良好的机械性能，是现代工程应用领域（微光学、纳米流体学、纳米光子学和纳米机电系统等）中的一种重要材料。随着工业的进步，对纳米玻璃加工精度的要求日益增长。尽管已经开发了2D掩模光刻、热氧化、三维光刻、直接油墨写入和数字光处理等各种玻璃加工技术，但这些工艺很难达到200 nm以下的加工精度。其主要原因是这些技术依赖于前驱体的熔化，这不可避免地会导致玻璃严重团聚，大大降低了焊接加工精度。迄今为止，纳米玻璃的高精度焊接加工仍是一个重大挑战。
为提高纳米玻璃的焊接加工精度，研究组提出了一种用于纳米石英玻璃的电子束辅助冷焊技术。石英玻璃在室温下一般是脆性材料，在高温时才具有延展性。但他们发现，在电子束辐照下，石英玻璃即使在室温下也具有很好延展性。基于这样的发现，他们在球差校正环境透射电子显微镜（ETEM）中，通过电子束辐照和环境气氛的调控，实现了石英玻璃纳米球室温快速冷焊接。能够将两个石英玻璃纳米球在室温下直接快速焊接，焊接后的接头强度、成分和结构与原始石英玻璃相同，其焊接精度与原始石英玻璃纳米球直径相当。利用该技术，研究组还实现多种复杂结构石英玻璃纳米球的冷焊自组装，且能保持超高的焊接加工精度。
图1：石英玻璃冷焊示意图、焊接过程与复杂结构石英玻璃纳米球的冷焊自组装。
图2：焊接点的界面形成过程及拉伸力学性能测试。
图3：气氛对于焊接速度的影响机制研究。
图4：石英玻璃纳米球冷焊过程的热激活和力激活机制示意图。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.09.004
编辑 | 余 荷
排版 | 王大雪
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