陶瓷金屬材料論文范文

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1玻璃－金屬封接

玻璃－金屬封接的主要問題為兩者的物理化學不相容和熱應力問題。玻璃的主要成分為SiO2，Al2O3，為典型的非金屬材料，為共價鍵連接結構，而金屬則以電子云的方式結合，導致熔融狀態的玻璃材料在金屬表面無法潤濕鋪展，從而無法達到玻璃－金屬的封接。此外，玻璃與一般金屬的熱膨脹系數相差很大，即使兩者能夠潤濕連接，也會在冷卻過程中產生較大的應力，甚至出現玻璃炸裂的現象。針對物理化學不相容性問題，主要采用金屬材料表面改性的方法，以達到熔融玻璃與金屬的潤濕鋪展。在電真空行業，目前廣泛應用的金屬表面改性方法是金屬表面預氧化，首先在含氧氛圍中加熱金屬表面，使表面產生與基體結合緊密的氧化膜（如Fe2O3，Fe3O4等），該氧化膜可與熔融的玻璃潤濕鋪展，從而解決玻璃－金屬物理化學不相容問題。針對玻璃－金屬封接應力問題，目前主要采用開發熱膨脹系數相近的玻璃、金屬的方法。目前在玻璃－金屬封接中應用較為廣泛的金屬材料為Fe－Co－Ni系膨脹合金（如4J29）和封接玻璃（如DM－308）。陳文莉等人［1］通過添加金屬氧化物（MnO2，Co2O3等）等對DM－308型電子玻璃進行改性，使玻璃的抗彎強度提高7％，并改善了玻璃與可伐合金的封接強度，使兩者封接面的抗剪強度提高了15．6％。分析指出，添加金屬氧化物加速界面處可伐合金中的金屬元素向玻璃中的擴散是改善封接性能的主要原因。胡忠武等人［2］采用金相、XRD，SEM等手段，研究了氧化膜的連續性、厚度對玻璃－可伐合金封接件的透氣率、抗拉強度的影響。研究指出，只有當金屬氧化物的摩爾體積與金屬元素的摩爾體積之比略大于1時，金屬表面才能形成覆蓋連續且致密的氧化膜；具有尖晶石結構的氧化膜對封接有利，且氧化膜的最佳增重為3～7g/m2。DongqiangLei等人［3］針對太陽能接收器玻璃－可伐封接的薄弱環節，利用高頻感應加熱方式，對預先氧化的可伐合金與玻璃進行封接試驗，并測試了接頭的密封性能、接頭強度、抗溫度沖擊性能及結合面的顯微組織。試驗結果表明，0．3～0．8mg/cm2的可伐合金預氧化增重條件可得到良好的玻璃－可伐封接接頭。筆者還利用試驗測量和ANSYS有限元方法［4］測定和計算了太陽能接收管可伐與玻璃封接接頭的殘余應力，試驗結果與有限元計算結果相吻合，并指出接頭的薄弱點不僅出現在玻璃－可伐的封接面，玻璃外表面靠近封接面處也是應力集中較大的區域。此外，金屬環伸入玻璃管的長度越大，則接頭的最大殘余應力就減小。

2陶瓷－金屬封接

與玻璃－金屬封接相似，陶瓷－金屬封接亦有2種材料物理化學不相容和熱應力問題。陶瓷－金屬封接工藝主要通過陶瓷表面燒結金屬化層的方式實現與金屬材料的表面潤濕。對熱應力的釋放則依賴于金屬化層和釬焊過程中釬料的變形和緩沖。陶瓷-金屬封接廣泛采用的是燒結金屬粉末法（如活性鉬－錳法），該連接工藝主要包括陶瓷的處理、膏粉的制備、涂膏、金屬化燒結、鍍鎳、二次金屬化、釬焊等過程。陶瓷表面金屬化層的質量是決定整個陶瓷－金屬封接接頭的主要環節。目前對該種方法的研究主要集中在陶瓷表面金屬化的機理研究、表面金屬化強度提高、陶瓷與金屬化層強度表征等。北京真空電子技術研究所對陶瓷－金屬封接工藝及機理開展了大量研究工作。張巨先等人［5］研究了不同陶瓷表面金屬化時金屬粉與陶瓷相的相互作用機理。針對w（Al2O3）95％陶瓷采用Mo含量不同的粉末對陶瓷表面金屬化，指出在金屬化過程中，Mo顆粒形成骨架網絡，金屬粉中的玻璃相填充骨架網絡的空隙，并與w（Al2O3）95％陶瓷中的玻璃相融和，通過毛細作用滲入陶瓷，得到有一定強度的致密金屬化層，當玻璃相含量較高時，會在骨架網絡中形成較多的內閉口氣孔。針對高純Al2O3陶瓷［6］，由于陶瓷內部無玻璃相及玻璃相遷移通道，其金屬化主要通過Al2O3相表面細小顆粒的溶解、沉淀、析出及玻璃相對Al2O3陶瓷表面的潤濕過程，實現致密結構。趙世柯等人［7］采用傳統的Mo-Mn法對透明Al2O3陶瓷進行了金屬化，獲得了氣密性可靠的陶瓷-金屬封接件，并指出金屬化層與陶瓷之間的結合主要來源于金屬化層中的玻璃態物質表面良好的潤濕性。由于制備工藝的限制，陶瓷內部存在隨機的內部和表面缺陷，則其與金屬封接接頭的強度具有很大的分散性。石明等人［8］采用Weibull統計和正態分布，對氧化鋁陶瓷的封接強度進行統計分析，試驗表明，Weibull模數和變異系數可以表征材料強度的離散性。

3陶瓷－金屬活性釬焊

陶瓷－金屬活性釬焊工藝利用傳統的釬焊方法，通過在釬料中添加活性成分（Ti，Zr等），可以增大釬料對氧化物、硅酸鹽等物質的親和力，實現釬料對陶瓷表面的潤濕和鋪展，完成陶瓷－金屬的釬焊，而釬料對金屬側的潤濕能力一般都較強，因此對其研究較少。相對于陶瓷－金屬封接工藝，陶瓷－金屬活性釬焊具有工序少、周期短、封接溫度低、零件變形小等優點，因此成為近年來陶瓷－金屬連接方向的研究熱點。YLiu等人［9］研究了SiC陶瓷的活性釬焊（Ag－35．25Cu－1．75Ti）工藝（溫度、保溫時間）對接頭力學行為的影響，研究指出，隨著釬焊溫度的升高，釬焊接頭的彎曲強度升高，但隨著保溫時間的延長，活性釬料與陶瓷間的反應厚度增大，形成較多的脆性金屬間化合物，使接頭的力學性能下降。此外，筆者通過XRD手段分析了界面的反應產物，發現陶瓷與活性釬料的連接面由SiC/連續細小的TiC層/不連續粗大的Ti5Si3層/填充合金層組成，從而驗證了活性元素Ti與SiC陶瓷間的反應產物。ZWYang等人［10］研究了SiO2－BN陶瓷與因瓦合金的Ag－21Cu－4．5Ti活性釬焊。釬焊溫度為1113~1173K，保溫時間為5~30min。通過掃描電鏡和投射電鏡分析發現，非晶態SO2在釬焊過程中活性較低，而h－BN與Ti反應生成細晶反應層的活性較大，釬焊過程中形成了100~150nm厚的TiN－TiB2反應層，從而實現了陶瓷與金屬的連接接頭。而因瓦合金中的Fe，Ni元素與Ti元素反應生成Fe2Ti，Ni3Ti，并固溶在Ag－Cu基體中，隨著脆性相Fe2Ti，Ni3Ti含量的增高，接頭的抗剪能力下降。李卓然等人［11］研究了95％氧化鋁陶瓷與低碳鋼Ag－Cu－Ti活性釬焊反應機理。試驗采用的釬焊溫度為950℃，保溫時間為5min。通過XRD方法對接頭不同區域的物相進行分析發現，接頭由Al2O3陶瓷/Ti3Cu3O/Ti3Al＋TiMn＋TiFe2＋Ag＋Cu/TiC/低碳鋼組成，釬料中的活性元素Ti，一方面和Cu與Al2O3反應形成Ti3Cu3O和Ti3Al，另一側由于Ti是強碳化物形成元素，導致Ti向低碳鋼側擴散與C充分接觸，同時較小的C原子也快速向釬料層擴散，形成連續的TiC層，另外與Fe，Mn結合生成TiFe2和TiMn。

4陶瓷－金屬過渡液相擴散焊

陶瓷－金屬的活性釬焊工藝可實現兩者的可靠連接，但接頭的高溫高應力下的環境適應性較差，這是由于活性釬焊的連接溫度較低，若提高釬焊溫度又會引起熱應力的增大。而陶瓷－金屬的過渡液相擴散焊可較好地解決此問題。陶瓷－金屬過渡液相擴散焊的中間層一般為復合中間層，即由一薄層低熔點金屬或合金熔敷在相對較厚的高熔點核心層上。低熔點薄層熔化后擴散進入高熔點材料并與之反應，使液相消失，形成的合金或中間層性質取決于高熔點核心材料的物理性質。JiuchunYan等人［12］研究了采用Cu/Ni/Cu中間層連接Al2O3陶瓷與6061鋁合金。釬焊溫度為580℃，隨著保溫時間的延長，接頭的抗剪強度呈提高趨勢；釬縫部位有純Ni層、Al0．9Ni1．1化合物層、Al基固溶體的存在；釬縫中的Al－Cu的共晶組織增強了Ni層的擴散，并縮短了釬焊時間。MBrochu等人［13］研究了使用Cu－Ti/Ni/Al中間層局部過渡液相擴散連接Si3N4陶瓷和FA－129鐵鋁合金。預加壓應力為300kPa，首先以10℃/min的加熱速度加熱到950~1100℃，并保溫30min，之后以5℃/min的速度加熱到1100~1200℃，并保溫1．5～6h完成均勻化過程，最后以55℃/min的速度降溫到300℃。其中Cu－Ti以粉末狀夾在Si3N4/Ni之間，而Al以箔狀夾在Ni/FA－129之間，最終接頭的彎曲強度約為80MPa。李京龍等人［14］以Ti/Ni/Ti為中間層，利用局部過渡液相擴散方法對多孔C/SiC材料進行了連接。中間層中的活性元素Ti對C/SiC潤濕性能良好，因而形成了能夠沿連接界面孔隙滲入C/SiC基體內。接頭冷卻后可形成“扎釘結構”，從而提高接頭的連接強度。

5結語

無機非金屬材料與金屬材料分別具有其獨特的力學、電學性能，兩者的連接被廣泛應用于工業生產及科研工作中。無機非金屬材料與金屬材料的連接難點主要是物理化學性不相容及連接的熱應力問題。（1）玻璃－金屬封接工藝對金屬（如Kovar合金）表面預氧化以達到與玻璃的潤濕連接，Kovar合金則具有與玻璃相近的熱膨脹系數，從而減小連接熱應力。（2）陶瓷－金屬封接工藝對陶瓷表面涂膏、燒結、電鍍后，形成與陶瓷致密連接的金屬化層，從而可以直接與金屬材料釬焊得到符合要求的接頭。（3）陶瓷－金屬活性釬焊利用活性元素（如Ti等）直接與陶瓷相反應連接，可很大程度上減少工藝復雜性。（4）陶瓷－金屬過渡液相擴散焊工藝加入中間層設計，可大幅減小接頭的釬焊應力，提高接頭的力學性能，提升接頭的高溫高應力環境適應性?？傊?，不同的連接工藝均有其側重點與優劣勢，在工業生產及科研活動中，需要根據實際要求及經濟性等方面選擇合適的非金屬材料－金屬材料連接方法［15］。

作者：張衛之程焰林馬迎英單位：中國工程物理研究院電子工程研究所