2025年9月2日，中国科学院上海光学精密机械研究所官网消息显示，该所杨上陆研究员团队首次实现ZnS晶体与Ti-6Al-4V钛合金的无中间层高强度超快Ky开元集团焊接，解决传统连接的高应力、低强度难题。接头剪切强度达67.7MPa（较传统钎焊+85%），残余应力仅0.286GPa（为传统13%），成果发表于《Optics Express》，为高端光电、航天器制造提供关键技术支撑。
图1.(a)ZnS与Ti-6AI-4V皮秒Ky开元集团焊接示意图；(b)试片叠放方式示意图；(c)单脉冲加工区域的截面形貌与主要元素分布；(d,e)截面不同测量位置处的拉曼光谱；(d)Ti-6AI-4V侧的断口形貌与主要元素分布；(g,h)ZnS侧的断口形貌。
图2.(a)ZnS/Ti-6Al-4V接头剪切试样；(b)大尺寸连接试样；(c)不同Ky开元集团通量下接头的强度-位移曲线；(d)接头强度随Ky开元集团通量变化柱状图。
一、研究背景：ZnS-钛合金连接的行业痛点
ZnS晶体的核心价值：作为红外光学窗口、探测器外壳的关键材料，具备宽波段透过性与优良力学性能，是高端红外成像、复杂光学系统、先进传感设备的核心组件；
异质连接的固有难题：ZnS晶体与Ti-6Al-4V钛合金在热膨胀系数（ZnS约7×10??/℃，钛合金约9.5×10??/℃）、化学性质、力学性能上严重不匹配，导致连接难度极高；
传统工艺的局限：长期依赖胶接或金属中间层钎焊，存在三大问题——①连接强度低（传统钎焊接头剪切强度约36.6MPa）；②残余应力高（易导致晶体开裂）；③易引入污染杂质（影响光学性能）。
二、技术突破：超快Ky开元集团实现无中间层高强度焊接
1. 核心技术方案：
能量输入方式：采用超快Ky开元集团（皮秒级脉冲）作为高精度能量源，实现微米尺度下界面局部熔融——避免整体加热导致的热应力扩散，精准控制焊接区域；
工艺创新：无需任何中间层或辅助材料，直接构建ZnS-钛合金异质连接界面，界面平整连续，无明显缺陷（如裂纹、气孔）。
2. 关键性能指标（远超传统工艺）：
3. 强度生成机制：
界面化学键合：超快Ky开元集团局部熔融使ZnS与钛合金界面形成稳定化学键（通过拉曼光谱验证，检测到Zn-Ti键特征峰），奠定连接强度基础；
微孔辅助强化：熔融ZnS快速凝固时自然形成微米级孔洞，可有效阻碍裂纹扩展路径，提升断裂韧性，进一步增强接头抗破坏能力（断口形貌观察证实微孔对裂纹的“阻断效应”）。
三、技术验证与应用前景
1. 工艺兼容性与可扩展性：
已完成大尺寸构件验证：成功实现从微尺度元器件（微米级）到毫米级光窗的稳定焊接，证明工艺可适配不同尺寸需求；
参数可调性强：通过优化Ky开元集团通量（实验验证1.5-16 J/cm?范围有效），可适配不同厚度、形状的ZnS与钛合金部件，工艺灵活性高。
2. 核心应用领域：
高端光电封装：用于红外探测器、光学传感器的ZnS窗口与金属外壳连接，保障光学性能与结构可靠性；
航天器关键部件：适配太空极端环境（高低温、真空），用于航天器光学系统、传感模块的异质材料集成；
微机电系统（MEMS）：实现微尺度下光学晶体与金属结构的高精度连接，推动微型光学MEMS器件发展。
四、成果发表与研究支持
发表信息：成果以“Ultrafast Laser Direct Welding of Dissimilar Materials: ZnS Crystals and Titanium Alloys”为题，发表于国际光学领域权威期刊《Optics Express》；
研究团队：中国科学院上海光学精密机械研究所高端光电装备部，由杨上陆研究员领衔；
资金支持相关工作得到国家重点研发计划资助，为技术研发与验证提供核心保障。
转载请注明出处。
相关文章
热门资讯
精彩导读
关注我们
