金屬/陶瓷界面的案例
金屬/陶瓷界面的反常擴散
【引言】
金屬/陶瓷界面是一種廣泛應用于各種技術的構建模塊，包括半導體器件（金屬/氧化物）、發(fā)動機上的熱障涂層以及全固態(tài)電池等領域。器件的性能直接取決于這些金屬/陶瓷界面的完整性，鈍化的金屬薄膜的形態(tài)演變通常也由金屬擴散所控制，而沿著擴展晶體缺陷（如表面、位錯、晶界等）的擴散通常快于塊體中的擴散。理想情況下，雙晶體樣品可以被用來直接測量界面擴散系數(shù)，即在雙晶體表面沉積一層擴散劑，再將樣品進行退火處理，并測量其組分分布情況，從而確定界面擴散系數(shù)。這樣僅對金屬/金屬和金屬/半導體界面進行小規(guī)模測量。但并不知金屬/陶瓷界面上金屬擴散系數(shù)的直接測量方法，間接證據(jù)表明，金屬/陶瓷界面可能是金屬原子的高擴散路徑，可以推測，沿金屬/陶瓷界面的擴散可以與沿其他內部界面的擴散相媲美。但是，金屬-氧鍵（氧化物陶瓷）可能遠高于金屬原子間的鍵，這表明沿著金屬/陶瓷界面的擴散可能受到抑制。盡管如此，相關證據(jù)表明沿著連貫（半連貫）金屬/陶瓷界面的擴散是迅速的，這似乎與快速傳輸和低原子密度之間的關系相反。
【成果簡介】
近日，美國賓夕法尼亞大學Aakash Kumar、David J. Srolovitz教授和以色列理工學院Eugen Rabkin教授等人合作報道了沿著Ni/α-Al2O3界面快速擴散的證據(jù)。Ni/α- Al2O3襯底上的多晶Ni薄膜的成孔結合連續(xù)擴散分析表明沿著Ni/α- Al2O3界面擴散非常快。第一性原理計算表明連貫的Ni/α- Al2O3界面上的Ni空位和遷移能均遠小于塊體Ni，這也就表明沿著連貫的Ni/α- Al2O3界面的擴散活化能可與沿著晶界所產(chǎn)生的活化能相媲美。
展開 哈工大《JMST》：激光輻照下陶瓷/金屬直接鍵合異質界面的制備！
近年來，氮化硅(Si3N4)陶瓷因其固有的性能以及高導熱性等性能的改善而引起人們的關注，有望作為下一代高功率電子器件襯底材料。在應用中，陶瓷/金屬復合基片不僅在電路層和散熱器之間提供具有低電阻率和電絕緣的導電路徑，而且還提供散熱器和芯片之間的熱路徑。然而，高功率器件引起的電流快速增加導致了陶瓷/金屬復合基底界面的熱積累。累積的熱量將成為芯片向散熱器傳熱的重要熱屏障，導致設備失效。因此，研究陶瓷/金屬復合基片的制備，特別是異質界面的設計，對于充分發(fā)揮高功率器件的優(yōu)異性能至關重要。
哈爾濱工業(yè)大學的研究人員提出了一種新的方法，在陶瓷表面激光輻照輔助下，氮化硅陶瓷與Cu直接鍵合。探討了脈沖激光輻照氮化硅陶瓷表層的分解過程，并結合陶瓷分解組分的變化探討了其鍵合機理。
展開 【科普系列】金屬與陶瓷“強強聯(lián)合”---金屬陶瓷層狀復合材料
圖1 貝殼微觀結構形貌及疊層復合結構簡圖 (a) 珍珠層截面形貌；(b) 表面納米有機蛋白顆粒；(c)，(d) 珍珠層俯視形貌；(e)珍珠層結構簡圖
金屬陶瓷層狀復合材料(laminated metal/ceramics composites，LMCCs)正是在這種契機下應運而生，并在其誕生之后迅速成為復合材料研究領域的熱門課題之一。金屬陶瓷層狀復合材料是由至少一種金屬以片層形式與陶瓷交替排列而成，是將擁有不同化學、物理性能的兩種或多種材料按照不同的層間距、層厚比以及疊層數(shù)相互疊層制備的新型材料，通常是由基體材料和增強體復合制備而成，圖2是通過粉末冶金法制備金屬陶瓷層狀復合材料的工藝流程。微疊層復合材料中的強性層一般選用較高強度和彈性模量的結構陶瓷，該層主要起強化的作用，當受外界載荷時能保證材料具有較高的強度。陶瓷層通常選用SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2等材料。韌性層一般選用金屬或有機物質等韌性好的材料，保證材料具有良好的韌性。常見的韌性層材料有Ti、Ni、Fe等金屬材料，非金屬的石墨以及高分子材料的樹脂等。微疊層復合材料每個疊層的厚度通常要求為0.01~100 μm，而其性能是由每一個組分特性、體積分數(shù)、結構特點、層間距和各組分之間的互溶度共同決定的。由于材料結構的特殊性，金屬陶瓷層狀復合材料可以改善材料的斷裂韌度、疲勞性能、抗沖擊性能、抗磨損性能、抗腐蝕性能和阻尼性能等。
圖2 粉末冶金制備金屬陶瓷層狀復合材料工藝流程
最常見的金屬陶瓷層狀復合材料主要包括Ti基、Ni基、Al基、Mg基、Fe基、Cr基、耐熱金屬基、金屬間化物基等，其中以Al基、Ti基、Ni基復合材料發(fā)展較為成熟。
展開 陶瓷/金屬/聚合物多材料3D打印在一起：CeraFab Multi
南極熊導讀：多材料3D打印正在成為科技前沿的熱點，但絕大部分的多材料3D打印是同類型材料的復合，比如不同的金屬材料嫁接打印，不同高分子材料的混合打印。如果有一種技術能將陶瓷與金屬或聚合物3D打印在一起，會發(fā)揮出什么樣的價值呢？
增材制造技術如今在諸如醫(yī)療、電子和航空航天等領域正日益發(fā)揮出引領創(chuàng)新的作用，尤其是在現(xiàn)有應用方案無法更進一步而需要突破某些瓶頸的時候。其中，復合材料3D打印受到了格外廣泛的關注，因為它能夠為制造特定具有改進性能的功能部件提供額外的可能性。
Lithoz 作為陶瓷增材制造的全球市場引領者和技術先驅 ，一直在開發(fā)突破性的多材料3D打印技術。如今借助Lithoz全新推出的多材料3D打印機，增材制造不再局限于單項材料。CeraFab Multi 2M30充分利用了增材制造的全部潛力，可在單個組件中對陶瓷、金屬和聚合物等不同材料及其特性進行組合處理。
△CeraFab Multi 2M30 復合材料3D打印設備
通過將設計空間擴展到不同的材料，復合材料的一體打印成型將使得3D打印零件的顛覆性設計成為可能，通過多種材料的復合成型，組件中的一部分到另一部分即可實現(xiàn)材料成分與結構的改變，從而達到某種屬性或功能的對應變化。這樣具有不同成分和/或微觀結構的特殊類型高級復合材料，也被稱為功能梯度材料（FGM）和功能梯度結構（FGS）。無需進行后道的連接或組裝，即可實現(xiàn)高度復雜的形狀與不同材料相結合的結構，非常適用于替換傳統(tǒng)分體式設計的組裝部件。
△CeraFab Multi 可以實現(xiàn)的復合材料的潛在結構設計組合
CeraFab Multi 2M30的成型艙由兩個料盤系統(tǒng)組成。兩個獨立的料盤系統(tǒng)意味著陶瓷可以與其他陶瓷、聚合物或金屬結合。
展開 
金屬JC和陶瓷JH本構模型參數(shù) ￥9.99
整理收集的一些銅，鋁、裝甲鋼、混凝土及陶瓷材料的本構參數(shù)
陶瓷表面Ni-Cu-P金屬化工藝的研究
[導讀] 在陶瓷電容器的生產(chǎn)中都需要大量的陶瓷元件，而現(xiàn)行生產(chǎn)中主要采用金屬銀作為陶瓷片的電極，其生產(chǎn)方法主要是通過高溫灼燒還原的方法而使元件表面金屬化，然后經(jīng)過極化等處理過程而得到陶瓷元件。因為在生產(chǎn)中，需要大量的貴金屬銀，所以生產(chǎn)成本高，經(jīng)濟效益低，且耗能較大。 由于非導體材料表面金屬化技術的不斷發(fā)展，以及在工業(yè)生產(chǎn)中，此類技術的應用更加普遍，近年來，出現(xiàn)了以金屬鎳作為陶瓷元件電極材料的新方法和新工藝
在陶瓷電容器的生產(chǎn)中都需要大量的陶瓷元件，而現(xiàn)行生產(chǎn)中主要采用金屬銀作為陶瓷片的電極，其生產(chǎn)方法主要是通過高溫灼燒還原的方法而使元件表面金屬化，然后經(jīng)過極化等處理過程而得到陶瓷元件。因為在生產(chǎn)中，需要大量的貴金屬銀，所以生產(chǎn)成本高，經(jīng)濟效益低，且耗能較大。
由于非導體材料表面金屬化技術的不斷發(fā)展，以及在工業(yè)生產(chǎn)中，此類技術的應用更加普遍，近年來，出現(xiàn)了以金屬鎳作為陶瓷元件電極材料的新方法和新工藝。采用化學鍍Ni-Cu-P合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燒滲銀方法制作陶瓷電容器的電極，可提高瓷介電容器的可靠性，克服銀電極銀離子遷移和銀與焊錫共融的缺點，節(jié)省銀，降低成本。該技術工藝流程簡單，技術先進，投資少，設備要求不高，經(jīng)濟效益及社會效益顯著，產(chǎn)品性能良好。
1 實驗方法
1.1 工藝流程
陶瓷基片030a.gif (72 bytes)除油030a.gif (72 bytes)粗化030a.gif (72 bytes)敏化030a.gif (72 bytes)活化030a.gif (72 bytes)化學鍍Ni-Cu-P030a.gif (72 bytes)后處理030a.gif (72 bytes)鍍件。
1.2 主要工序說明
(1)除油
除油的目的是除去陶瓷表面的油污，促使粗化均勻，提高鍍層結合力。
展開 直接觀測鋰金屬電池的界面行為
【引言】
固體-液體界面在許多化學、物理和生物過程中扮演著至關重要的角色，但由于缺少可同時對固體和液體組分適用的高分辨表征手段，至今仍然阻礙著科研人員對這一界面進行全面深入的研究。例如在鋰金屬的枝狀沉積和固體-電解質界面膜（SEI）的形成是影響鋰金屬電池性能和安全的決定性因素，然而直接觀測這些界面卻存在很大的難度，致使圍繞界面行為展開的研究一直是人們爭論的熱點。
【成果簡介】
近日，康奈爾大學的Lena F. Kourkoutis（通訊作者）課題組采用冷凍電鏡技術觀察到了鋰金屬電池中界面膜和枝晶的納米級結構并以此全面深入地理解了發(fā)生在該界面的化學過程。該研究通過快速冷凍液體成分（玻璃化液體電解質），獲得了自然狀態(tài)下鋰金屬電池中的界面膜結構，之后再利用冷凍掃描透射電鏡技術（cryo-STEM）可對這些界面進行結構和化學圖譜（mapping）表征。實驗表征結果發(fā)現(xiàn)，在鋰金屬電池負極共存著兩種不同類型的枝狀物，其中一種擁有外延的SEI層，而另一種枝狀物則由鋰的氫化物組成，這一不同枝狀物的共存現(xiàn)象可能為電池容量減少的機理解釋提供有力的證據(jù)支持。該文也闡明了冷凍電鏡技術在探測功能器件界面過程的研究中具有潛在的應用價值。2018年8月15日，相關成果以題為“Cryo-STEM mapping of solid–liquid interfaces and dendrites in lithium-metal batteries”的文章在線發(fā)表在Nature上。
展開 這個系統(tǒng)還能同時打印金屬和陶瓷部件
德國熔爐制造商Xerion通過引入Fusion Factory，展示一款脫脂和燒結金屬和陶瓷部件的3D打印模塊化系統(tǒng)。
Xerion成立于20年前，專注于設計和制造電爐，主要是可使用高溫和惰性氣體的電爐。據(jù)稱，該公司幾年前收到增材制造行業(yè)客戶的訂單請求，開始研究生產(chǎn)熔爐和完整的生產(chǎn)線。
（Fusion Factory的3D打印單元）
而引進的Fusion Factory由四個單元組成，代表三個技術步驟和一個控制單元。第一個單元中是3D打印由金屬或陶瓷粉末和粘合劑組合而成的獨特金屬或陶瓷線材。在這個模塊中是一個工業(yè)3D打印機，具有專門設計的鋼噴嘴和能夠處理線材的進給設備。生坯部件打印出后就被放入加熱的脫脂站中，脫脂站自動使用丙酮/異丙醇溶劑在氮氣氣氛中洗掉粘合劑。然后將該部件放入第三個單元中，電爐能夠在氮氣或氫氣氣氛中達到高達1550攝氏度的溫度。超過10小時的加熱，將組件加熱到金屬或陶瓷顆粒熔合在一起的程度，產(chǎn)生密度為98％至99％的部件。
（Fusion Factory的控制單元屏幕）
所有這一切步驟都通過一個控制單元進行管理，該控制單元由一個用于監(jiān)督和監(jiān)控每個生產(chǎn)步驟的大型觸摸屏組成。內置于Fusion Factory的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可存儲預編程的“配方”，通過對每個模塊應用適當?shù)目刂苼砗喕a(chǎn)過程。該軟件還可以補償燒結過程中發(fā)生的收縮，并可生成用于記錄目的的報告。
（3D打印出來的幾何部件）
Xerion可能是歐洲第一家為3D打印和加工金屬零件提供完整集成解決方案的公司。盡管其他公司使用不同的陶瓷技術，但它可能是全球第一家使用相同的MIM激發(fā)陶瓷組件的公司。
展開 福大《Scripta Mater》：液態(tài)金屬致脆界面，無序與有序梯度結構！
這些結果表明，具有多層吸附(2層及以上)的結構可能導致界面脫粘。導致LME產(chǎn)生的根本原因不是界面有序，而是GB核中較弱的原子間相互作用。總的來說，本文揭示了Ga滲透Al通用GBs中復雜的、但普遍存在的界面分離結構，具有有序梯度，這豐富了研究者們對表層結構的認識。（文：破風）
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金屬所《JMST》：冷變形珠光體鋼絲滲碳體分解調控界面演變！
在珠光體中，雖然滲碳體/鐵素體界面的結構已經(jīng)研究了很長一段時間，但直到近年來，原子水平的結構-性質相關性才受到重視。目前珠光體鋼絲界面結構如何演化還未明確，這嚴重限制了界面變形對力學行為影響的研究。
中科院金屬研究所的研究人員探討了隨著變形應變的增加，PSW中Fe3C/Fe界面的結構演變。研究了界面原子構型和應變形態(tài)，并重點分析形變誘導滲碳體分解對界面重構的影響。相關論文以題為“Structure evolution of the Fe3C/Fe interface mediated by cementite decomposition in cold-deformed pearlitic steel wires”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。
展開 一種具有低表面張力和優(yōu)異熱導率的液態(tài)金屬熱界面材料
由于器件之間表面接觸不完全，因此在熱源與散熱器的界面處總是出現(xiàn)氣隙，此時空氣的導熱系數(shù)(Tc)僅為0.026 W/(mK)，阻礙了熱量從熱源向散熱器的有效傳遞。通過應用熱界面材料(TIMs)填充氣隙，可以降低界面處的接觸電阻。
由于聚合物低的固有導熱系限制了材料的應用，因此聚合物基TIMs通過填充導熱顆粒以提高材料的導熱性能，常見的導熱填料如AlN (360 W/(mK))，BN(250-300W/(mK))，碳纖維(1100 W/(mK))，碳納米管(3000 W/(mK))和石墨烯(5300 W/(mK))。鎵(Ga)基液態(tài)金屬(LM)由于其高導熱性而引起了熱管理領域的廣泛關注，LM也被應用于電子領域的TIMs。
然而，LM的表面張力過高，無法濕潤熱源和散熱器的表面，并且LM泄漏導致器件短路的風險很大。因此，芯片表面涂漆困難和漏電引起的短路成為液態(tài)金屬應用的瓶頸。目前研究人員采用Cu、Fe、Ni、Mg、Ag、W等金屬顆粒作為填料，以減少泄漏，提高LM的導熱系數(shù)。但是，目前報道的大多數(shù)金屬顆粒會形成金屬間化合物，導致LM基TIM失效。
在LM中填充高導熱半導體，如金剛石和Al2O3，可以提高粘度和導熱性，同時也可以解決LM泄漏問題。然而，BN與液態(tài)金屬復合材料尚未成功制備，這可能是由于Ga的高表面張力與BN的低表面能不匹配。為了克服LM的高表面張力問題，目前的研究重點是利用氧化鎵(Ga2O3)降低LM的表面張力，但這會降低LM的導熱系數(shù)。因此如何調節(jié)表面張力而且不影響LM的導熱系數(shù)是目前的研究方向之一。
展開 
金屬所在鐵電異質界面 發(fā)現(xiàn)極化巨大增強現(xiàn)象
但是，隨著薄膜厚度的減小，在異質界面去極化場的作用下，鐵電極化會顯著降低甚至消失，如何保持甚至增強超薄鐵電體的極化是該領域長期以來面臨的基礎性科學難題。
中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室固體原子像研究部的界面結構研究團隊長期致力于材料基礎科學問題的電子顯微學研究，經(jīng)過多年的學術積累，近來他們在解決上述科學難題方面取得新進展。
研究員馬秀良、朱銀蓮和博士劉穎等人提出充分利用異質界面兩側不同的自由度，構筑在界面處同時具有化學價態(tài)不連續(xù)與鐵電極化不連續(xù)的PbTiO3/BiFeO3異質薄膜體系。利用具有原子尺度分辨能力的像差校正電子顯微術，發(fā)現(xiàn)在具有頭對尾極化特征的界面附近，鐵電PbTiO3中存在約~8%的面外晶格拉長現(xiàn)象，并伴隨104%，107%以及39%的Ti，O1和O2離子位移（δTi，δO1，δO2）增加。這意味著相比塊體材料，薄膜PbTiO3在PbTiO3/BiFeO3異質界面處有高達70%的極化增強。
圖1. BiFeO3/PbTiO3薄膜界面處的晶格參數(shù)，應變和離子位移分析。在BiFeO3/PbTiO3界面附近，不僅面外晶格參數(shù)（c）顯著拉長，Ti和Fe沿面外方向的離子位移（δTi，δFe）也顯著增大，預示界面附近PbTiO3中鐵電極化顯著增大。
圖2.（a-e）ABF-STEM像進一步驗證BiFeO3/PbTiO3界面極化提高。（f-j）PbTiO3層厚度不同時（2、3、6、17單胞），BiFeO3/PbTiO3界面處都存在面外晶格顯著拉長現(xiàn)象，預示PbTiO3厚度減小到2單胞時，極化仍顯著增強。
圖3.
展開 更高強度和更耐失效的三維鋸齒狀雙金屬界面
【引言】
金屬基納米復合材料由于其優(yōu)異的性能而備受關注和廣泛研究，比如，優(yōu)異的抗輻射損傷性能，良好的熱穩(wěn)定性，以及在常溫和室溫條件下的較高強度和塑性阻力。這些性能上的顯著增強可以歸因于雙金屬界面在高溫、輻射和機械變形條件下表現(xiàn)出的特定界面結構穩(wěn)定性。研究表明，諸多關鍵的力學行為，例如位錯形核、缺陷的吸收和湮滅，都起源于界面區(qū)域。雖然低能雙金屬平界面結構在材料中普遍存在，但也有可能通過宏觀的或局域的晶體學取向改變而形成高能界面結構。雖然這些高能界面出現(xiàn)的頻率可能較低，但它們仍然是缺陷形成和相間運動的優(yōu)先位置，在材料變形響應中發(fā)揮重要作用。
【成果簡介】
近日，北京航空航天大學張瑞豐教授利用原子尺度模擬和界面缺陷理論，考慮Cu/Ag和Cu/Nb兩種典型雙金屬系統(tǒng)，揭示了高能界面可以通過形成周期性原子級鋸齒結構來實現(xiàn)界面局部低能態(tài)，并且提出了一種普適的界面鋸齒結構設計原則，以期獲得最佳力學性能的界面結構。在幾種不同的應變條件下，與平坦界面相比，具有原子級周期鋸齒的界面具有更高的位錯形核壘和更高的界面剪切阻力。這種理想的性能組合并不是通常研究的低能界面所具備的力學特征：低能界面通常具有高的位錯形核勢壘和低的界面滑移阻力。通過對錯配位錯結構演化以及點陣位錯形核的詳細分析表明，周期鋸齒結構能夠改變塑性變形初期的位錯形核的數(shù)量和開動的滑移系統(tǒng)，同時能夠有效降低界面區(qū)域錯配位錯產(chǎn)生的應力集中。最后，作者基于大量對比性的模擬結果，提出了針對于高能界面力學韌塑性調制策略，即通過優(yōu)化設計原子鋸齒狀界面來改善金屬基納米結構材料的力學強度、提升界面滑移和蠕變抗力。
展開 一鍵算出材料缺陷+3D建模黑科技
特有的"物質邊界增強算法"，使金屬-陶瓷界面等難識別結構的對比度提升8倍。
u 動態(tài)切割系統(tǒng)
支持非平面自由曲面切割，用戶可用NURBS曲線任意剖分樣本，實時生成截面拓撲參數(shù)（周長/曲率/孔隙連通度）。
(3) 量化分析體系
l 智能特征識別
集成3代改進的U-Net卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，對復雜結構（如生物血管網(wǎng)、巖石裂隙系統(tǒng)）的自動識別準確率達92.3%，較2020版提升47%。
l 多尺度統(tǒng)計模塊
從納米級晶界到厘米級構件，可同步計算15類幾何參數(shù)（孔徑分布/曲折度/比表面積等），自動生成符合ISO/ASTM標準的檢測報告。
三、技術特性深度剖析
1. 計算性能突破
采用MPI+OpenCL混合并行架構，在配備NVIDIA A100的工作站上，1TB微CT數(shù)據(jù)的重建時間從傳統(tǒng)72小時壓縮至4.5小時；
內存壓縮算法使8K×8K×8K體數(shù)據(jù)的內存占用量降低60%
2. 行業(yè)定制化方案
材料科學版：集成JMatPro熱力學數(shù)據(jù)庫，可直接預測相變對微觀結構的影響
生物醫(yī)學版：內置DICOM-RT模塊，支持放療劑量分布與器官三維模型的融合分析
石油地質版：獨家提供數(shù)字巖心仿真流模塊，可模擬多相滲流過程
3.
展開 金屬所《JMST》封面：共晶高熵合金K-S界面主導的位錯滑移連續(xù)性及其強塑性
Liaw、馬秀良
通訊單位： 中國科學院金屬研究所
DOI: 10.1016/j.jmst.2020.04.073
全文速覽
共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1可以實現(xiàn)強度和塑性的優(yōu)良匹配且兼具共晶合金優(yōu)異的鑄造、成型性能，因而成為高熵合金中的熱門研究體系。合金中大量存在的兩相界面必然對合金的塑性變形行為產(chǎn)生至關重要的作用，而合金的兩相界面特性及其對合金塑性變形的影響及作用機制尚未得到充分認識。本文精細解析了合金兩相界面的取向關系、界面結構，揭示了變形過程中兩相的變形機制，并發(fā)現(xiàn)一方面合金中界面可以通過阻礙位錯運動來強化合金，為合金提供足夠強度，另一方面其界面原子尺度結構特征及界面兩側兩相的滑移體系對稱性有利于合金中部分位錯穿越界面實現(xiàn)滑移傳遞，使合金具有良好的塑性。
背景介紹
高熵合金因其成分的多組元特性展現(xiàn)出很多獨特的性能，例如優(yōu)異的斷裂韌性、疲勞性能、抗腐蝕和抗輻照性能，其作為最有潛力的新一代結構材料得到科研人員的廣泛關注。
高熵合金的晶體結構常表現(xiàn)為單相面心立方（FCC）結構或單相體心立方（BCC）結構。一般而言，單相FCC結構的高熵合金塑性好但強度低，而單相BCC結構的高熵合金強度高但延展性差，因此單相固溶體高熵合金很難平衡強度與塑性。
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