纳米操纵器焊接技术中纳米尺度上的焊接机制

This project is aimed to kick-start a research of nanowelding mechanism at the nanoscale in nanowelding techniques related to nanomanipulators, which is believed to be key core industrial technologies for every country in the future. Tin-based-alloy nanosolder composed of active elements using for reinforcement and wettability will be fabricated for the applications of welding metal-ceramic together by an electrochemical method and vacuum smelting techniques. Their morphology, crystal structure, chemistry, electrical transport and mechanical properties will be comprehensively characterized at the nanoscale, which lead to achieve a high-quality preparation of tin-based alloy nanosolders. The mechanisms and principles of welding the nanosolder and base nanomaterials together, including wettability, diffusion, phase transition, metallic transition of the welding surface of nonmetal and chemical bonds of dissimilar nanomaterials, will be studied by means of electron microscope in-situ nanomanipulators which directly provide a simultaneous and dynamic view of the whole experimental processes. Nanoscale brazing/soldering welding and nanomanipulators-laser hybrid welding techniques will be then explored and applied to weld dissimilar nanomaterials together, such as metal-ceramic. The central aim of this project is to develop at least one practical nanoscale welding technique for industrial application. It is believed that this project could not only bring China a core nanoindustrial technologies, but also provide experimental and theoretical knowledge for developing vacuum welding techniques applied into aerospace like the construction of space station or repairs of space transportion.

本项目围绕未来在纳米空间上的关键核心工业技术纳米焊料和纳米焊接技术中的基础问题：纳米操纵器焊接技术中纳米尺度上的焊接机制展开研究。拟结合电化学和真空冶炼方法制备出能够用于金属-陶瓷焊接的、掺有活性元素的特种锡基纳米焊料。通过对其形貌、结构、成份、电学和力学等物性的测量，重点研究和控制锡基纳米焊料质量的制备工艺；利用电镜原位纳米操纵器对纳米焊料和纳米焊接母体在焊接过程中互相浸润、扩散、物相转变、非金属焊接面金属化、异质材料键合等机制和机理基础问题进行实时、原位、图像化和动态化研究；结合电镜原位纳米操纵器、激光等手段，探索纳米空间上具有实际应用价值的纳米钎焊技术和纳米操纵器-激光联合焊接技术，将包括金属和陶瓷在内的同质和异质纳米材料焊接到一起。这一研究不仅将为我国获得每个国家都必须掌握的纳米尺度下核心工业技术，而且将为我国发展空间站建设等航天方面的真空焊接技术提供理论和实验依据。

随着微电子技术和纳米科技的发展要求，开发出工业可用的纳米尺度连接技术迫在眉睫，原因在于纳米焊料的制备和焊接技术的研究是发展未来纳米尺度3D制造的第一步，是纳米材料能真正用于大规模实际应用的根本和关键所在。因此，能用于微纳空间中的纳米焊料制备、焊接技术开发和纳米尺度下焊机机制的探索具有重要的意义。我们在项目的实施期间，系统地制备了多种全成份组均相和非均相的一维Sn-Ag、Sn-Au、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu和Sn-Cu-Mn合金特种纳米焊料，研究了它们的形貌、成份、晶体结构、元素分布和生长机理，测量了这些材料做为焊料的关键物理参数：熔点、润湿性和电学性质，准确地掌握了这些焊料的基本性质。我们采用课题组发明的纳米电学钎焊技术，分别利用扫描电镜原位纳米操纵器操控一维Sn-3.5Ag、Sn20Au80、Sn3Cu纳米焊料成功地将金、TiO2和WO3纳米线组成的多种图案焊接到一起了，并测试了这些焊料和焊点的电阻、力学性质，证明了这些一维特种纳米焊料是电学性能优异能实际用于微/纳纳米尺度的焊料。在这个过程中，我们也在国内外首次实现了纳米尺度下氧化物陶瓷材料的焊接，极大地拓展了纳米焊接的应用范围，初步建立了纳米电学焊接技术质量评估体系；首次提出并验证了纳米操纵器-离子束-热辅助联合焊接技术，探索出了一种具有实际应用价值的新纳米焊接技术。我们也利用透射电镜电子束辐照的方法，在晶格分辨率的水平上，原位、动态化观察了多种SnAg、SnAu和SnCu一维纳米焊料的熔化、扩散、润湿、再结晶等相变过程，首次发现纳米焊料在电子束辐照下由线状融化再凝固成均相小球的“宏观”（微米级）相变过程，和在晶格分辨率下纳米焊料的原子/晶胞在高能电子束作用下具有从有序→短程无序、长程有序→短程无序、长程无序→短程有序、长程无序→有序的“微观”（原子级）相变过程，掌握了纳米焊料的相变机理，为纳米焊料实现纳米尺度材料连接奠定理论基础。我们的研究工作为纳米焊料进入产业化应用奠定了基础，对推动纳米工业发展产生了重要意义。