2025年2月，西南交通大学陈辉团队在《Optics and Laser Technology》上发表了《Effect of laser surface texture on surface wettability and brazing properties of ZrO₂（激光表面织构对ZrO₂表面润湿性和钎焊性能的影响）》一文。本研究得到了中国国家自然科学基金（52275385和U2167216）的支持。（DOI：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.112736）

研究背景

在航空航天、核能与电子器件等高技术领域，陶瓷材料因其优异的绝缘性、高温性能和化学稳定性被广泛应用。其中氧化锆（ZrO₂）陶瓷尤为突出。然而，陶瓷材料固有的脆性与加工困难，制约了其复杂结构构件的成形与金属连接的可行性。如何实现陶瓷与金属间的可靠连接，成为制约其高端应用的关键问题。

金属与陶瓷在物理和化学性质上的巨大差异，使得常规熔焊方式在连接过程中极易导致陶瓷破裂。因此，钎焊成为当前最常用的连接方式，其操作简便、适合批量生产。但钎焊的两大核心难题在于：钎料对陶瓷表面的润湿性差；热膨胀失配导致接头开裂。传统的陶瓷表面预处理方式包括金属化（如Mo-Mn法）、喷砂、化学蚀刻、沉积涂层等，这些方法复杂、成本高或存在局限性。相比之下，激光表面处理技术具有快速、灵活、无接触等优势，可精确调控表面粗糙度与能量状态，改善钎料润湿性并引导界面反应。

本文提出以纳秒激光技术对ZrO₂陶瓷表面进行微纳织构处理，从而提升其表面润湿性和钎焊接头性能，展示了一种经济高效且工艺可控的陶瓷金属连接预处理新思路。

研究方法

实验对象为10×10×5 mm 的ZrO₂陶瓷片，激光设备采用纳秒脉冲光纤激光器，对其表面周期性烧蚀形成点阵纹理结构。每个激光斑点间距100 μm，扫描次数N分别为1、5、10与15次，观察其对表面形貌与润湿性能的影响。

钎料使用的是铋酸盐类封接玻璃，与ZrO₂陶瓷有良好的化学亲和性。钎焊过程中，陶瓷与热氧化处理的Ti6Al4V钛合金在650–700°C下进行玻璃钎焊连接，形成金属-陶瓷复合接头。

图1 激光加工系统示意图（a）纳秒激光加工原理说明；（b）激光处理后的表面结构的图示；（c）激光表面纹理模型图

图2 实验装配图（a）试样；（b）固定装置；（c）剪切装置；（d）钎焊工艺

研究结果

1.激光处理引发表面结构与成分变化

激光烧蚀在ZrO₂表面形成周期性微孔阵列（直径约30 μm），随扫描次数增多，孔深与边缘高度同步增加。表面粗糙度（Sa）在N=10时达最大值3.07 μm。

同时，激光作用造成ZrO₂表面出现黑化现象。XPS分析显示，表面氧缺失导致Zr⁴⁺部分转化为Zr³⁺，形成亚氧化锆ZrO₂₋ₓ，提高表面化学活性与润湿性。

图3 不同扫描次数下的微观表面形态（a）未处理；（b）N=1；（c）N=5；（d）N=10；（e）N=15

图4 不同扫描次数下的粗糙度变化（a）线粗糙度；（b）表面粗糙度

2.表面能与润湿性显著提升

实验表明，未处理ZrO₂表面的水接触角为74.4°（亲水），经一次激光处理后上升至124.7°（疏水），而在扫描10次后重新下降至<90°（再次亲水），表现出先疏水再亲水的变化趋势。

表面能方面，在N=10时达到最高值57.89 mJ/m⟡，是未经处理表面的近两倍。高表面能使钎料更易铺展，从而提升润湿性与结合强度。

3.高温钎焊润湿行为改善

动态接触角测试显示，在700°C时，激光处理10次后的陶瓷表面能最快达到润湿状态（接触角<90°），优于未经处理或仅处理一次的样品。封接玻璃能顺利填充微孔，形成机械锁固+化学反应复合结合模式。

图5 不同激光扫描次数下液体润湿角的变化（a）未处理；（b） N=1；（c） N=5；（d）N=10；（e） N=15

4. 接头力学性能提升

剪切测试结果表明，在650°C焊接条件下，未经处理的接头剪切强度为34 MPa，而激光处理后提升至38 MPa。在700°C时虽润湿性更佳，但界面反应过强导致接头强度下降至25 MPa，表明过高温度会破坏界面完整性。断口分析揭示，激光处理后断裂从陶瓷侧转移至金属侧，说明陶瓷-玻璃钎料界面结合增强。

图6 粗糙度与润湿性和界面结合之间关系的示意图

创新性与应用前景

该研究在技术与理论上均有显著创新：

工艺层面：提出激光微织构作为陶瓷表面钎焊预处理的可行路径；

机制层面：揭示激光诱导的氧缺失相变、粗糙度变化与润湿性之间的关联；

工程应用：为低温、高强度的陶瓷-金属连接提供新工艺思路，尤其适用于电子封装、传感器、医疗器械等对接头可靠性要求高的场景。

主要结论

1、采用纳秒光纤激光技术对ZrO₂表面进行纹理化处理。增加加工循环次数会使宏观形态变暗，表明陶瓷的元素和相组成发生了显著变化。使用EDS、XRD和XPS的分析表明，激光的高能量密度迅速提高了表面温度，导致熔化和汽化。锆对碳基化合物的强烈亲和力导致局部碳化，因为散热不足。在微米尺度上，碳含量增加，而氧含量减少，而在纳米尺度上，由于游离碳的向内迁移，碳含量随着加工周期的增加而减少。

2、使用扫描电子显微镜（SEM）和激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）分析了激光加工后ZrO₂的形态。这些坑的直径约为30μm。经过五次激光循环后，凹坑周围出现了裂纹，经过十次循环后，表面粗糙度（Rz）达到93.99μm的峰值。此外，酸碱法和动态高温润湿角的结果表明，激光加工显著改变了ZrO₂的表面能和润湿性。具体来说，在700℃以上的温度下◦C、处理过的表面的润湿角比未处理的陶瓷表面更快地达到润湿状态

3、对接头形态、剪切强度和断裂外观的分析表明，在不同的表面条件和钎焊温度下，封接玻璃和ZrO₂表面之间实现了牢固的结合。激光加工通过增加封接玻璃和ZrO₂之间的接触面积来增强接合强度，从而导致机械联锁。此外，随着钎焊温度的升高，断裂位置从填料转移到金属和填料之间的界面。

4、激光处理显著改变了陶瓷表面，导致缺氧和碳化，从而改变了表面能和与封接玻璃的润湿性。为了尽量减少这些影响，未来的实验将采用空气隔离或保护气体。此外，纳秒激光烧蚀会产生微裂纹并穿透数十微米，可能会影响机械性能和长期稳定性。因此，在实际应用中，必须仔细评估激光诱导表面和微观结构变化对材料性能的影响。