在能源生產、儲存和轉換領域的可持續技術開發過程中，氧傳輸膜（OTM）因其在二氧化碳捕獲過程中的廣泛應用而受到關注。當溫度達到 850 ℃時，在膜兩側之間的氧分壓梯度下會表現出氧離子的選擇性傳輸，這可用於發電廠的富氧燃燒或水泥工業，進而克服以往的空氣液化方法。在 OTM 材料中，Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) 因其優異的滲透率而備受關注。氧傳輸膜材料隨著厚度的減少，氧的通亮將會增加，但帶來的問題是自身機械性能的不穩定，因此目前比較折衷的方案是將 10–100 µm 厚的膜燒結到 1 mm 厚的多孔基材上，但如何有限的將如此薄的傳輸膜連接到金屬環境並保證氣密性是行業的難題，一直未得到有效解答。
針對這一連接問題，人們開展了大量的研究。研究發現，採用環氧環氧樹脂膠合的方法工序繁雜，需要對接頭進行主動的水冷來形成軸向的溫度梯度。採用擴散焊難以獲得有效的接頭強度，採用玻璃釺焊進行釺焊時，由於釺料的脆性和被連接母材之間的熱膨脹係數的差異，接頭會出現裂紋，而採用活性釺焊或是真空釺焊時，BSFC母材又會在低氧分壓下發生化學分解。因此傳統的連接方法均不適用與BSCF材料的連接。
對於有氣密性要求的金屬-陶瓷接頭來說，反應性空氣釺焊是首選的連接方法。反應性空氣釺焊能夠連接不同的耐高溫鋼和合金以及功能陶瓷。釺焊材料由貴金屬（通常為銀）和活性氧化物（通常為CuO）組成。活性氧化物增加了熔體中的氧含量並提高了陶瓷或鈍化的金屬基材的潤濕性。但反應釺焊也會造成母材組織的變化，有研究表明在反應釺焊時界面位置出現了Co-Cu-O 沉澱和和母材粗化的現象，但是到目前為止，還未見相關的顯微組織轉變機制的報導。
針對這一問題，2022年7月5日，德國亞琛工業大學Simone Herzog等人撰寫的Microstructure coarsening in Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ during reactive air brazing在Journal of the European Ceramic Society期刊上，本文重點研究了反應性空氣釺焊BSCF中微觀組織粗化的動力學和機理。研究了不同釺焊時間和CuO含量下BSCF中的孔隙率進，測量了粗化區長度，並與初始BSCF組織進行了比較。沿晶界的釺料滲入可增加晶界遷移率，導致晶粒單向延伸。為了驗證這一假設，採用相場模擬進行了論證，並進行了EDS和EBSD分析，結果表明，晶界遷移率的增加使晶粒單向延伸。
研究結果表明，活性空氣釺焊中BSCF的孔隙尺寸隨釺焊時間的增加和CuO含量的增加而增大，同時在反應區末端出現局部孔隙最小值。同時，反應區呈現出單向的細長晶粒，並在其末端發現了銀元素的殘留，晶粒取向在粗化區和未受影響區中均呈統計分布。
研究結果表明，在釺焊過程中，Ag-CuO熔體沿BSCF晶界浸潤形成液態膜。液體膜增加了晶界遷移率，在靠近釺焊處比在更遠的地方產生更快的粗化動力學。此外，相場模擬也定性地表明，BSCF晶粒優先向垂直於釺焊的方向生長，從而導致延伸率。另一方面，夾雜空氣通過晶界的運移導致了在拉伸區末端孔隙率顯著降低，而在釺縫下方孔隙明顯減少但更大。觀察到的孔隙度變化與晶界運動直接相關。這兩種現象都是燒結過程結束時的典型現象，在燒結過程中還觀察到晶粒生長異常。在BSCF 基板上，在970℃的很短時間內就可以使晶粒生長和孔隙凝結，由於銅在三相點滲透過程中被消耗，純銀在幾乎 BSCF 中粗化區域的末端凝固。
在其他反應性空氣釺焊材料中未觀察到顯微組織粗化。這是由於在某些情況下，釺焊陶瓷的燒結溫度較高。在這些情況下，晶界遷移率可能無法通過目前的液膜來增加。此外，晶界的潤濕性和CuO的溶解度可能太低。對於薄 BSCF 膜的反應性空氣釺焊，在強度計算和實際滲透率的估計中應考慮結構粗化。
圖1 不同保溫時間下BSCF的孔洞截面
圖2 反應過程的相場模擬
圖3 截面背散射形貌
原文連結：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.06.084