陶瓷的封接技术及研究进展

陶瓷的封接技术及研究进展摘要：介绍了陶瓷与金属连接的主要类型和种类*对各种连接方法的机理、特点和影响因素进行了重点介绍。关键词：陶瓷金属连接焊接1引言陶瓷与金属的封接，也称焊接（包括陶瓷与陶瓷的焊接），在现代工业技术中的应用有着十分重要的意义。近年来，随着陶瓷材料的大规模研究开发，陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的连接技术也越来越引起人们的关注（1-2）。实现陶瓷与金属的有效连接可以进一步扩大陶瓷的应用范围，诸如电视显像管金属引线的封接，电子元件的封装，飞行器及导弹关键部位的连接等都属于陶瓷—金属封接的范围。2陶瓷与金属连接的主要类型陶瓷封装的方法很多，按待焊接材料A和B.是否相同，可以分为同种材料的焊接和异种材料的焊接。但是还可以根据A、B.间结合材料的有无和种类进行分类。几种典型的陶瓷封接类型如表所示。3陶瓷封接方法3.1粘合剂粘结粘接具有固化速度快、使用温度范围宽、抗老化性能好等特点，被用于飞机应急修理、导弹辅助件连接、修复涡轮、修复压气机转子方面。现在胶接技术在国内外都得到了广泛的应用。一般来讲，陶瓷与金属采用胶接连接，界面作用力为物理力、化学键。化学粘接较其它工艺得到的界面强度低，据文献+#,报道：采用有机胶的接头强度小于150MPa，采用无机胶的接头强度小于10MPa，且允许使用的温度有一定的限制（一般低于200度）；但粘接技术用在修复上，周期短、工艺简单、修复效率高、成型性能好，因而在动力工程和航空工业中静载荷和超低静载荷中得到了广泛的应用。3.2激光焊接将能量密度甚高的激光用于陶瓷的封接，称为激光焊接。陶瓷用激光焊接装置主要由二氧化碳激光器、反射镜和聚光镜以及预热炉几部分构成。二氧化碳激光器发出的激光束经反射镜和聚光镜聚焦于试样表面。预热炉用于预热试样以避免激光照射的局部骤热而产生裂纹。预热温度和焊接速度对焊接质量影响较大。陶瓷制品的激光焊接，首先应考虑如何避免由加热、冷却速度和温度梯度所引起的热裂纹。其解决办法有对陶瓷工件进行预热，用双激光枪和调整激光束等措施。利用双束激光进行陶瓷焊接的原理如图所示，这种方法的优点是能够在几秒内获得可控的温度场，并能在自由条件下加工，无需特殊处理5。激激光焊接的莫来石试样，经100次反复加热和冷却的热疲劳试验，焊接试样的抗弯强度并没有明显下降。目前已出现用二氧化碳激光装置来焊接氧化铝瓷、莫来石瓷和镁橄榄石瓷等新型陶瓷。3.3烧结金属粉末法烧结金属粉末法是在高温还原性气氛中，使金属粉末在瓷件表面上烧结成金属薄膜。此法多用于电子元件陶瓷A金属封接与连接。采用这种封接工艺应遵循以下两个原则：（1）金属件的熔点应比金属化的温度高200度以上，且焊料、金属件的成分不再与金属化中的金属形成合金；（B）金属件与陶瓷件两者的膨胀系数应尽可能地接近。3.4活性金属焊接法陶瓷C金属的连接多用钎焊。利用陶瓷C金属母材之间的钎料在高温下熔化，其中的活性组元与陶瓷发生化学反应，形成稳定的反应梯度层，从而将两种材料结合在一起。陶瓷与金属之间的钎焊要比金属间的钎焊连接复杂得多，这是因为陶瓷材料从根本上很难被钎料润湿，大多数钎料在接头上往往只形成球珠，很少产生或根本不产生润湿。改善陶瓷C金属润湿性通常有两种方法：（1）往钎料中添加表面活性元素。Si，Mg和Ti等可使其润湿性得到明显改善。Ti，Zr，Hf，Pb等过渡族或稀有金属元素具有较强的化学元素活性，加入钎料中在高温下对氧化物、硅酸盐具有亲和性，可和Cu，Ni，Ag，Au等一同制成陶瓷C金属焊接活性钎料。活性钎料在两界面处可以产生机械或化学结合；（B）可以采用提高润湿过程中的温度和使用涂层技术。陶瓷C金属钎焊的另一个基本问题是：二者的热膨胀系数相差悬殊，会引起界面残余应力，可能导致接头在使用过程中开裂。在金属与陶瓷之间插入缓冲层的方法有效地降低了残余应力，提高了接头强度2。3.5玻璃焊料封接法玻璃焊料封接法实际即是氧化物焊料法。玻璃焊料适合于陶瓷与各种金属合金的封接，特别是强度和气密性要求较高的场所。目前多用于高压钠灯Nb管针与Al2O3透明瓷管的封接。虽然国外七十年代初期即有用于真空电子器件中陶瓷-金属管壳的报道,但长期以来,国内外厂家都很少有人问津,主要是认为:一是封接强度低,二是Mo-Mn法比较成熟,在性能上完全可以代替它。其实玻璃焊料法也有其特点和独到之处,（1）简单、易行、便宜；（2）对高纯%/B@瓷封接比活性化Al2O3法有利；Mo-Mn对小孔结构的封接O可以避免小孔涂膏厚度不均匀等难以克服的弊病；（2）对微波器件的输出窗来说可以避免由于内导体金属针封口处形成焊料角而带来器件电性能的恶化。因而O开发玻璃焊料在微波管、真空管等器件中的应用,特别是带有针封结构陶瓷,金属封接的领域是具有实际意义的7。3.6固相压力扩散焊固相压力扩散焊也叫固相封接法，是指与陶瓷接触的固相由加热、加压法扩大接触面积，使各成分扩散，直至容积扩散而完成粘接，多用于碳化物、氮化物等非氧化物陶瓷的连接。除了温度、压力、时间外，封接前的表面状态和连接气氛对接头质量有很大的影响。如一般在氧化气氛中封接，会因金属表面形成氧化膜而阻碍封接。此法特点是：扩散焊法焊接的接头质量稳定，焊缝中不存在溶化焊缺陷，不存在过热组织热影响区，可焊接较大截面接头，一次可以焊接多个接头等，且固相扩散焊可满足高温应用的要求，但工艺过程复杂，对连接表面的加工和连接设备的要求高。除了这些方法，还有烧釉封接法、陶瓷瞬间液相连接法（PartialTransientLiquidBonding简称PTLP）、自蔓延高温合成（SHS）焊接等方法。烧釉封接法是在空气中于陶瓷上烧结硅酸盐玻璃类物质，然后再在还原气氛下与金属焊接，但接头釉层龟裂严重；SHS焊接是以SHS反应放出的热为高温热源，以SHS反应产物为焊料，在陶瓷和金属间形成牢固连接的过程；PTLP是为了解决陶瓷活性钎焊和固相扩散连接中存在的问题，在金属瞬间液相连接以及用“中间扩散层”技术连接陶瓷的基础上提出的。由于兼有活性钎焊和固相扩散连接的优点，许多研究者都展开了这方面的研究，研究日趋深入(8)4结语粘合剂粘接连接、激光焊接法、烧结金属粉末法、活性金属焊接法、玻璃焊料封接法、固相压力扩散焊在陶瓷的连接中都有一定的应用，但同时又各有其局限性。而陶瓷-金属的焊接是一个全新的领域，内容新颖而又异常丰富，今后随着陶瓷材料应用的范围不断扩大，其可焊性和焊接工艺的研究将成为国内外普遍关心的研究课题。参考文献1方芳，楼宏青.陶瓷部分瞬间液相连接的研究进展.材料科学与工程，1999(1):70-742邹贵生，任家烈，吴爱萍.A及其合金作钎料或中间层连接陶瓷-金属.材料导报，1999,13(2):16-183钦征骑主编，新型陶瓷材料手册,江苏科学技术出版社，1995年12月：1164张太多.粘接技术在炮射导弹上的应用.粘接，1999(1):355大舟.陶瓷双束激光焊接.光机电信息.1997(14)356王申，李淑华，谭惠民.陶瓷-金属的连接技术.飞航导弹.2002(6):55-587高陇桥.当前陶瓷-金属封接及其相关技术的新进展.真空电子技术.2000(5)21-228方芳，陈铮等.陶瓷部分瞬间液相连接的研究进展.材料科学与工程.1999(65):70-75