YSZ和TC4制成的复合结构在生物医疗领域有着广泛的应用,常用连接方法为钎焊和扩散连接。钎焊会引入有害金属元素Cu,同时钎焊接头抗腐蚀性能较差,不满足人体植入材料连接的需求。扩散连接无需连接材料,是首选连接方法,但较高的连接温度使接头残余应力增大,并使Ti发生脆化,需要降低扩散连接温度。表面纳米化是降低连接温度的有效方法,现有研究主要集中于金属的表面纳米化。若能实现陶瓷的表面纳米化,则能够提高陶瓷的扩散能力,有望明显降低扩散连接温度。本文通过闪烧加闪连复合的方法实现了陶瓷表面纳米化,研究了纳米化工艺对细晶层的影响。由于闪烧及闪连时间极短,实验研究存在很大难度。闪烧可以认为是晶粒之间的结合,机理与闪连类似,于是本文基于分子动力学方法从原子尺度对闪连的机理进行了研究,分析电场和温度场在闪连过程中所起的作用,解释闪连连接机理。最后研究了纳米化工艺和扩散连接的工艺对扩散连接接头微观组织及性能的影响,并对机理进行分析。采用闪烧加闪连复合的方法成功的在YSZ表面制备了纳米细晶层,实现了YSZ陶瓷的表面纳米化,分析了纳米化工艺对细晶层微观组织影响规律。温度提高,热输入增大,细晶层平均晶粒尺寸增大,同时质量传输能力提高,有利于气孔的排除,细晶层的孔隙率降低。电流增大,热输入增加,同时电流强化离子扩散,有利于传质,晶粒尺寸增大、孔隙率降低。当电流进一步增加,电场诱导产生大量的氧空位在氧化锆中积累,同时晶粒发生长大,不利于气孔的排除,孔隙率升高。纳米化时先实现细晶层的烧结,再与YSZ基体实现连接。恒流时间较短时,细晶层与YSZ陶瓷基体结合较差。延长恒流时间,细晶层平均晶粒尺寸增大、孔隙率降低。进一步延长恒流时间,由于氧空位的积累,细晶层和YSZ陶瓷基体上出现孔隙。基于分子动力学方法研究温度和电场对YSZ闪连的影响,并对闪连连接机理进行分析。电场使O2-的扩散激活能降低,O2-发生扩散,并提高O2-的扩散速率。闪连初期温度较低时,只有O2-能发生迁移。由于界面区域的O2-发生迁移使得界面处的O2-空位发生聚集,从而提高界面的导电性,使得界面产生更多的焦耳热,促进界面升温,达到Zr4+的迁移温度,Zr4+可在界面发生小范围的迁移。通过O2-和Zr4+向界面区域的迁移即可实现闪连连接。O2-迁移使界面O2-空位浓度进一步增加,又使界面导电性提高,促进O2-迁移,如此往复进行使得界面温度不断升高,达到Y3+的扩散温度,Y3+在界面处发生小范围的迁移。电场的作用在于降低O2-的扩散激活能,促进闪连的物质传输,并提供闪连所需要的焦耳热。纳米化后的YSZ与TC4实现扩散连接,研究了纳米化工艺对扩散连接的影响。通过陶瓷侧剪切断口XRD及界面TEM确定连接机理为ZrO2和Ti通过扩散在界面处形成反应层Ti6O+Zr2O而实现连接。首先优化了纳米化参数,断裂位置为细晶层内部和反应层内部的混合型断裂,细晶层孔隙率越低,断裂更多发生在反应层上,接头强度提高。温度提高,细晶层孔隙率越低,接头强度提高,温度进一步升高,细晶层因晶粒尺寸过大,界面反应减弱,接头强度降低。随着电流增大和恒流时间延长,细晶层孔隙率降低,接头强度值提高。电流过大,恒流时间过长,因氧空位累积在细晶层上产生气孔,接头强度降低。通过接头剪切强度,确定纳米化的最佳工艺为850℃,电流6A,恒流60s,此时接头的剪切强度值最高,为56MPa。在最佳的纳米化参数下研究了扩散连接工艺对接头的影响。随着连接温度提高和保温时间延长,界面上逐渐形成连续的反应层,断裂发生在反应层上的比例增加,接头强度提高。进一步提高温度,延长保温时间都会使界面反应更加充分,使反应层结合强度提高,断裂在细晶层上的比例增加,接头强度下降。压力过大会使TC4发生变形。扩散连接的最佳连接工艺为温度1000℃,压力3MPa,保温30min,此时接头的剪切强度值最高,为56MPa。通过表面纳米化处理,在900℃获得的接头无明显连接缺陷与直接扩散相比连接温度降低200℃。陶瓷表面纳米化可以降低扩散连接温度,效果显著。