CN107132241B - 一种在原位电镜中对纳米材料进行焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在原位电镜中对纳米材料进行焊接的方法。在电子束的辐照下，利用焊料与二氧化碳之间的化学反应实现纳米材料的焊接；所述焊料为金属氧化物；在原位电镜中进行所述焊接步骤；所述原位电镜为原位透射电镜或原位扫描电镜。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过纳米陶瓷融化技术对原位电镜中纳米材料进行焊接，由于焊接产物为纳米晶，具有1GPa以上的强度。(2)本发明通过电子束辐照对纳米材料进行定点焊接，由于氧化镁或者氧化钙吸收二氧化碳后释放大量热，发生了融化，而周围有二氧化碳流动进行冷却，热量集中，焊接口接触优良。本发明提供的焊接技术操作简单，适用范围广，可用于焊接原位透射电镜中各种类型的纳米材料。

Description

一种在原位电镜中对纳米材料进行焊接的方法
技术领域
本发明涉及一种在原位电镜中对纳米材料进行焊接的方法，属于新型焊接技术领域。
背景技术
近些年来，随着原位电镜表征技术的发展，人们越来越需要开发新的焊接技术以实现对各类纳米材料进行焊接，以实现对其力学等性能的原位表征。在传统研究中，人们主要采用芯片-会聚离子束焊接法、积碳法等技术对纳米材料的力学性能进行表征，芯片-会聚离子束焊接法需先将纳米材料安装于芯片上，然后采用会聚离子束对接头位置进行焊接，整个过程工艺复杂、成本高昂、且焊接时采用的镓离子会对样品表面造成严重污染；积碳法仅适用于比较脏的样品，在焊接头位置通过电子束照射将样品表面的脏东西加热蒸发成非晶碳进行焊接，此方法焊接时间长，对样品选择性比较高，且焊接点力学性能不佳，经常在拉伸过程中发生断裂。
因此，在原位电镜表征过程中寻找一种成本低、工艺简单、焊接速度快、焊接头位置力学性能优良的焊接技术是亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种在原位电镜中对纳米材料进行焊接的方法，在原位电镜中通过氧化镁或氧化钙与二氧化碳之间的化学反应进行焊接。
本发明所提供的纳米材料的焊接方法，是在电子束的辐照下，利用焊料与二氧化碳之间的化学反应实现纳米材料的焊接；
所述焊料为金属氧化物。
本发明焊接方法，在焊接点位置，由于所述电子束的辐照可将惰性二氧化碳气体分子激活，并与所述焊料迅速发生反应生成碳酸盐。由于此反应可释放大量热量，焊接产物处于熔融态，能够促进纳米材料与基底形成良好接触。
上述的焊接方法中，所述电子束的辐照强度可为10～1000e/nm2s，具体可为10～300e/nm2s、10～200e/nm2s、10～100e/nm2s、10～50e/nm2s、100～300e/nm2s、100～200e/nm2s、200～300e/nm2s或10e/nm2s、50e/nm2s、200e/nm2s或300e/nm2s。
上述的焊接方法中，在原位电镜中进行所述焊接步骤。
上述的焊接方法中，所述原位电镜可为原位透射电镜或原位扫描电镜。
上述的焊接方法中，所述焊料为氧化镁或氧化钙。
上述的焊接方法中，所述化学反应完成后，所述焊接方法还包括将碳酸盐置于真空环境下分解为金属氧化物纳米晶的步骤；
所述碳酸盐为所述焊料与所述二氧化碳的反应物；
所述金属氧化物纳米晶有助于加强焊接点位置的力学性能。
所述金属氧化物纳米晶的晶粒尺寸可为1～100nm，具体可为5～50nm、5～30nm、5～20nm、20～50nm、20～30nm、5nm、20nm、30nm或50nm。
上述的焊接方法中，所述真空环境的真空度可为1.0×10-7～1.0×10-3Pa，具体可为1.0×10-7～1.0×10-5Pa、1.0×10-7Pa、1.0×10-6Pa、5.0×10-6Pa或1.0×10-5Pa。
上述的焊接方法中，所述二氧化碳气氛的压强可为1～1000Pa，具体可为1～800Pa、1～100Pa、1～50Pa、50～1000Pa、50～800Pa、50～100Pa、100～1000Pa、100～800Pa、1Pa、50Pa、100Pa、800Pa或1000Pa。
上述的焊接方法中，可采用传统的水热法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、浸渍法或溶胶凝胶法等制备所述焊料；
若对材料具体力学指标进行表征，需将所述焊料制备于原子力探针悬臂梁上针尖表面；若对无需力学指标，则可将所述焊料制备于任意基底，如金针尖、铝针尖、钨针尖等。
在上述焊接方法中，所述焊料可采用纳米薄膜或纳米颗粒的形式，所述纳米薄膜的厚度可为10～1000nm，所述纳米颗粒的直径可为10～1000nm。
本发明焊接方法适用于对各类纳米材料进行焊接，如Si、Ag、Cu、ZnO、CuO等，具体可为纳米薄膜、纳米颗粒、纳米线、纳米球、纳米片或纳米花等；可采用传统银胶粘附于基底一侧。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过纳米陶瓷融化技术对原位电镜中纳米材料进行焊接，由于焊接产物为纳米晶，具有1GPa以上的强度。
(2)本发明通过电子束辐照对纳米材料进行定点焊接，由于氧化镁或者氧化钙吸收二氧化碳后释放大量热，发生了融化，而周围有二氧化碳流动进行冷却，热量集中，焊接口接触优良。
(3)本发明提供的焊接技术操作简单，适用范围广，可用于焊接原位透射电镜中各种类型的纳米材料。
附图说明
图1为本发明焊接方法的示意图。
图2为本发明实施例1提供的焊接点位置焊接过程的电镜照片。
图3为本发明实施例1提供的焊接后断口处的电镜照片。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、在原位电镜中对Si纳米线进行焊接
(1)焊接前将氧化镁薄膜(厚度10nm)采用传统脉冲激光沉积技术制备于基底表面，将Si纳米线材料采用传统银胶粘附于另一基底的一侧。
(2)将样品装入透射电镜样品台，并将整个实验装置放入透射电镜中，如如图1所示。
(3)焊接过程中需首先将二氧化碳气体(1Pa)通入透射电镜中，在焊接点位置，由于电子束辐照(辐照强度为300e/nm2s)将惰性二氧化碳气体分子激活，并与氧化镁迅速发生反应生成碳酸镁。由于此反应可释放大量热量，焊接产物处于熔融态(如图2所示)，促进纳米材料与基底形成良好接触。
(4)焊接完成时，将电镜中的二氧化碳气体抽出(真空度为1.0×10-6Pa)，碳酸镁发生分解，形成氧化镁纳米晶(晶粒尺寸20nm)。
本实施例焊接的整个过程仅需5分钟，焊接口接触优良，焊接后断口的电镜照片如图3所示，焊接点位置力学性能达到1.9GPa。
实施例2、在原位电镜中对ZnO纳米线进行焊接
(1)焊接前将氧化镁纳米颗粒(直径10nm)采用溶胶凝胶技术制备于基底表面，将ZnO纳米线材料采用传统银胶粘附于另一基底的一侧。
(2)将样品装入透射电镜样品台，并将整个实验装置放入透射电镜中。
(3)焊接过程中需首先将二氧化碳气体(100Pa)通入透射电镜中，在焊接点位置，由于电子束辐照(辐照强度为200e/nm2s)将惰性二氧化碳气体分子激活，并与氧化镁迅速发生反应生成碳酸镁。由于此反应可释放大量热量，焊接产物处于熔融态，促进纳米材料于基底形成良好接触。
(4)焊接完成时，将电镜中的二氧化碳气体抽出(真空度为1.0×10-7Pa)，碳酸镁发生分解，形成氧化镁纳米晶(晶粒尺寸5nm)。
本实施例焊接的整个过程仅需10分钟，焊接口接触优良，焊接点位置力学性能达到1.5GPa。
实施例3、在原位电镜中对Cu纳米线进行焊接
(1)焊接前将氧化镁纳米颗粒(直径10nm)采用溶胶凝胶技术制备于基底表面，将Cu纳米线材料采用传统银胶粘附于另一基底的一侧。
(2)将样品装入透射电镜样品台，并将整个实验装置放入透射电镜中。
(3)焊接过程中需首先将二氧化碳气体(1000Pa)通入透射电镜中，在焊接点位置，由于电子束辐照(辐照强度为100e/nm2s)将惰性二氧化碳气体分子激活，并与氧化镁迅速发生反应生成碳酸镁。由于此反应可释放大量热量，焊接产物处于熔融态，促进纳米材料于基底形成良好接触。
(4)焊接完成时，将电镜中的二氧化碳气体抽出(真空度为5.0×10-6Pa)，碳酸镁发生分解，形成氧化镁纳米晶(晶粒尺寸30nm)。
本实施例焊接的整个过程仅需15分钟，焊接口接触优良，焊接点位置力学性能达到1.6GPa。
实施例4、在原位电镜中对Ag纳米线进行焊接
(1)焊接前将氧化钙纳米颗粒(直径30nm)采用浸渍法制备于基底表面，将Ag纳米线材料采用传统银胶粘附于另一基底的一侧。
(2)将样品装入透射电镜样品台，并将整个实验装置放入透射电镜中。
(3)焊接过程中需首先将二氧化碳气体(800Pa)通入透射电镜中，在焊接点位置，由于电子束辐照(辐照强度为50e/nm2s)将惰性二氧化碳气体分子激活，并与氧化镁迅速发生反应生成碳酸镁。由于此反应可释放大量热量，焊接产物处于熔融态，促进纳米材料于基底形成良好接触。
(4)焊接完成时，将电镜中的二氧化碳气体抽出(真空度为1.0×10-5Pa)，碳酸镁发生分解，形成氧化镁纳米晶(晶粒尺寸50nm)。
本实施例焊接的整个过程仅需20分钟，焊接口接触优良，焊接点位置力学性能达到1.1GPa。
实施例5、在原位电镜中对Ag纳米线进行焊接
(1)焊接前将氧化钙纳米颗粒(直径100nm)采用磁控溅射法制备于基底表面，将Ag纳米线材料采用传统银胶粘附于另一基底的一侧。
(2)将样品装入透射电镜样品台，并将整个实验装置放入透射电镜中。
(3)焊接过程中需首先将二氧化碳气体(50Pa)通入透射电镜中，在焊接点位置，由于电子束辐照(辐照强度为10e/nm2s)将惰性二氧化碳气体分子激活，并与氧化镁迅速发生反应生成碳酸镁。由于此反应可释放大量热量，焊接产物处于熔融态，促进纳米材料于基底形成良好接触。
(4)焊接完成时，将电镜中的二氧化碳气体抽出(真空度为1.0×10-6Pa)，碳酸镁发生分解，形成氧化镁纳米晶(晶粒尺寸50nm)。
本实施例焊接的整个过程仅需30分钟，焊接口接触优良，焊接点位置力学性能达到1.7GPa。

Claims (7)

1.一种纳米材料的焊接方法，其特征在于：在电子束的辐照下，利用焊料与二氧化碳之间的化学反应实现纳米材料的焊接；
所述焊料为金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：在原位电镜中进行所述焊接步骤。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于：所述原位电镜为原位透射电镜或原位扫描电镜。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的焊接方法，其特征在于：所述焊料为氧化镁或氧化钙。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的焊接方法，其特征在于：所述化学反应完成后，所述焊接方法还包括将碳酸盐置于真空环境下分解为金属氧化物纳米晶的步骤；
所述碳酸盐为所述焊料与所述二氧化碳的反应物。
6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于：所述真空环境的真空度为1.0×10-7～1.0×10-3Pa。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的焊接方法，其特征在于：所述二氧化碳气氛的压强为1～1000Pa。
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