燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室温斌教授、张利强研究员联合香港大学陆洋教授团队成功研究出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。相关成果以“Nanoscale cold welding of glass”为题发表于期刊《Matter》。论文链接： https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.09.004。
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。
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
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200nm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，研究组还实现了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。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。
