李卓然，徐曉龍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

0 引言

隨著光學(xué)、信息技術(shù)、能源、航空航天技術(shù)、生物技術(shù)及生命科學(xué)等學(xué)科的迅速發(fā)展，光學(xué)玻璃由傳統(tǒng)意義上的光學(xué)儀器用成像介質(zhì)－透鏡逐漸向新的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。利用玻璃和光的相互作用改變光的極化態(tài)、頻率、相干性和單色性，以及產(chǎn)生光子和探測(cè)光子的新型光功能玻璃成為光學(xué)玻璃發(fā)展的主要方向［1-2］。

玻璃材料具有抗氧化、耐蝕、耐高溫、高硬耐磨等特點(diǎn)，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛;但玻璃本身的低延性和沖擊韌性缺點(diǎn)則妨礙了其在工程結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用。玻璃與塑韌性高、抗沖擊能力強(qiáng)的金屬連接件已廣泛應(yīng)用與壓電傳感器制造，以復(fù)合連接體形式制成的壓力傳感器可應(yīng)用于嚴(yán)酷的工作環(huán)境［3］。

1 玻璃－金屬連接的基本問(wèn)題

玻璃主要為硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有非常穩(wěn)定的電子配對(duì)和很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，與金屬在本質(zhì)上有不同，故兩者的連接存在較大困難。

首先，玻璃－金屬連接中存在熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力。玻璃與金屬2種材料的熱膨脹系數(shù)差異較大(約為一個(gè)數(shù)量級(jí))，因而在連接過(guò)程的加熱和冷卻中，兩者的膨脹和收縮差別較大，會(huì)導(dǎo)致在接頭界面上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力;其次，玻璃表面很難潤(rùn)濕。潤(rùn)濕性反映了2種物質(zhì)之間的結(jié)合能力，若要獲得良好潤(rùn)濕，玻璃及金屬的前處理顯得尤為重要。金屬的處理包括清潔處理和熱處理，而玻璃處理方法為表面金屬化。

玻璃與金屬之間要實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，就需要使連接界面形成過(guò)渡層，而二者在界面間存在著原子能級(jí)的差異;因此，2種材料間的界面反應(yīng)對(duì)接頭的形成和性能有極大的影響［4］。

2 玻璃－金屬連接方法

隨著玻璃材料的發(fā)展及其在工業(yè)中應(yīng)用的擴(kuò)大，其連接技術(shù)得到不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種連接方法，目前研究較多的是匹配封接、陽(yáng)極鍵合和釬焊。此外還有激光輔助連接、超聲波摩擦焊、半固態(tài)連接等。

2.1 匹配封接

匹配封接在焊接前先對(duì)金屬進(jìn)行預(yù)氧化處理，使金屬焊接表面形成一層厚度適當(dāng)?shù)难趸^(guò)渡層匹配封接，然后再和玻璃封接。目前，匹配封接大都采用可伐合金和高硅硼硬玻璃，研究主要集中在對(duì)可伐合金的氧化方面。

Tsann-ShyiChern［5］對(duì)可伐合金在不同溫度和時(shí)間下預(yù)氧化，發(fā)現(xiàn)700℃，5～15 min時(shí)，可形成厚度為4～7 μm的致密氧化膜(主要FeO)，氧化膜具有良好的粘附性。潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)氧化處理溫度為700℃，時(shí)間為10 min時(shí)，玻璃在可伐合金上的潤(rùn)濕角為26～29°;潤(rùn)濕試驗(yàn)溫度900℃，保溫時(shí)間15 min時(shí)，F(xiàn)e的擴(kuò)散距離大約為28 μm，形成一個(gè)較寬的界面反應(yīng)層，玻璃金屬界面可分為4個(gè)區(qū):可伐合金基體區(qū)、貧鐵區(qū)、富鐵區(qū)、玻璃區(qū)。玻璃與可伐合金的反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致可伐合金氧化膜的溶解，這可以有效地增加界面連接強(qiáng)度和接頭密封性。

羅大為等［6］采用座滴法研究硅硼玻璃在分別具有FeO和FeO+Fe3O4氧化膜的可伐合金表面在1000℃保溫不同時(shí)間的潤(rùn)濕規(guī)律。隨著潤(rùn)濕時(shí)間的延長(zhǎng)，玻璃的潤(rùn)濕角不斷減小，最終穩(wěn)定在25°(FeO 氧化膜)和 23°(FeO+Fe3O4氧化膜)。研究認(rèn)為，潤(rùn)濕過(guò)程中熔融玻璃與氧化膜之間發(fā)生了溶解擴(kuò)散。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在熔融玻璃周?chē)^察到2個(gè)暈圈，分析認(rèn)為是由于在熔融玻璃邊緣處局部的上方黏度變低，容易鋪展而形成暈圈I，由于在毛細(xì)作用力下，暈圈Ⅰ中的熔融玻璃沿著氧化膜表面的微小凹凸面和間隙向外擴(kuò)散，從而形成暈圈II(圖1)。

羅大為等［7］也研究了封接工藝，發(fā)現(xiàn)熔封氣氛的氧化性越強(qiáng)，玻璃飛濺現(xiàn)象越嚴(yán)重。隨著熔封時(shí)間的延長(zhǎng)或者熔封溫度的升高，可伐合金引線(xiàn)與玻璃的結(jié)合強(qiáng)度增加，玻璃沿可伐合金引線(xiàn)的上升高度降低。優(yōu)化工藝條件為合金表面為單一FeO或者Fe3O4氧化膜，熔封氣氛為弱還原氣氛，熔封溫度在980℃左右，熔封時(shí)間為20～30 min。

圖1 玻璃在FeO+Fe3O4氧化膜表面潤(rùn)濕形貌(20 min)［6］Fig.1 Micrograph of glass on FeO+Fe3O4wetting for 20 min［6］

匹配封接法所形成的接頭具有良好的耐高溫性和氣密性，但是接頭力學(xué)性能不高。

2.2 陽(yáng)極鍵合

陽(yáng)極鍵合是一個(gè)在電和熱共同作用下，玻璃是一個(gè)元素在電場(chǎng)作用下擴(kuò)散、陽(yáng)極材料氧化的過(guò)程。電場(chǎng)作用使玻璃內(nèi)的金屬陽(yáng)離子(Na+，K+)向陰極遷移極化，形成堿金屬元素的耗盡層，由于非橋接負(fù)氧離子相對(duì)固定，在陽(yáng)極玻璃側(cè)積聚大量的負(fù)氧離子。靜電吸附效應(yīng)引起陽(yáng)極材料在界面處的感應(yīng)正電荷。在靜電場(chǎng)力的作用下二者形成緊密結(jié)合，通過(guò)元素的互擴(kuò)散，在界面處發(fā)生氧化反應(yīng)和固相反應(yīng)而形成鍵合［8］，其原理如圖2所示。該方法在電路基板、半導(dǎo)體芯片、太陽(yáng)能電池封裝、微傳感器方面有著廣泛的應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞溫度、電場(chǎng)、壓力及材料表面質(zhì)量等因素，展開(kāi)了多方面的研究。

B.Schmidt［9］通過(guò)高能離子束定量分析了耗盡層中Na+、K+、Ca+、H+在不同溫度和電壓下的遷移，確定了飽和耗盡層厚度和Na+在250 V作用下的熱激活能Ea=(0.97±0.14)eV。作者通過(guò)NM譜圖并未發(fā)現(xiàn)玻璃中的非橋接O，但是分析觀察到了O－向界面的遷移，研究認(rèn)為O－并非來(lái)源于玻璃的非橋接O，而是來(lái)源于玻璃表面吸附的水分子。在電場(chǎng)作用下H2O分解為H+和OH－，在電場(chǎng)力作用下，H+也象Na+一樣同時(shí)向陰極方向移動(dòng)，O－擴(kuò)散遷移并最終沉積在另一界面的邊緣，O－起連接鍵橋作用。

圖2 陽(yáng)極鍵合原理圖［8］Fig.2 Schematic diagram of anodic bonding［8］

Pawel Knapkiewicz等人利用p-Si作為中間層進(jìn)行玻璃與玻璃的連接。試驗(yàn)首先利用磁控濺射方式在玻璃1表面鍍厚度為100 nm的p-Si層，然后與該玻璃在T=300℃，U=750 V條件下進(jìn)行陽(yáng)極鍵合。最后將玻璃2與預(yù)鍍p-Si層玻璃1在T=450°C，U=1 kV條件下進(jìn)行陽(yáng)極鍵合。剪切試驗(yàn)表明，二者的結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)40 MPa［10］。

Piotr Mrozek［11］研究了通過(guò)浮法玻璃表面真空蒸鍍納米級(jí)Ti膜來(lái)進(jìn)行陽(yáng)極焊。試驗(yàn)首先使Ti膜在某一溫度下進(jìn)行熱氧化，生成具有一定電阻率的氧化物，然后進(jìn)行陽(yáng)極焊。試驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)為:d=80 nm，預(yù)氧化溫度為420℃，陽(yáng)極焊溫度530℃，電壓200 V，連接時(shí)間5 min，接頭剪切強(qiáng)度為25 MPa。

Gen Sasakil［12］研究證實(shí)了 Al/玻璃鍵合界面納米晶γ-Al2O3。當(dāng)溫度400℃、電壓500 V、連接時(shí)間11.4 ks時(shí)，界面產(chǎn)生向玻璃內(nèi)部生長(zhǎng)的樹(shù)枝狀納米晶 γ-Al2O3，納米晶中存在孿晶、層錯(cuò)、位錯(cuò)及晶界等晶體缺陷(圖3)。納米晶γ-Al2O3形狀與大小主要由電壓、溫度和時(shí)間控制，當(dāng)電壓低、連接時(shí)間短時(shí)，界面不生成納米樹(shù)枝晶 γ-Al2O3。此外，納米晶的生長(zhǎng)方向則是通過(guò)電場(chǎng)控制Al3+的擴(kuò)散來(lái)改變。在樹(shù)枝晶之間存在富鋁非晶層，而Al/γ-Al2O3界面不存在非晶層。

圖3 Al/玻璃界面γ－Al2O3形貌及晶體缺陷 (連接溫度400℃、電壓500 V、時(shí)間11.4 ks)［12］Fig.3 Interface morphology and crystal defects of Al/glass joint bonded at 400 ℃ (500 V)for 11.4 ks［12］

A.T.J.Helvoort［13］研究了 Al/Glass陽(yáng)極鍵合界面微觀組織，觀察到在Al/玻璃鍵合界面有納米級(jí)樹(shù)枝狀的晶體伸向了耗盡層，通過(guò)對(duì)這些樹(shù)枝晶進(jìn)行電子衍射圖像分析，可以確定該晶體是γ-Al2O3。γ-Al2O3有2種結(jié)構(gòu)形態(tài)，其一為樹(shù)枝狀納米晶結(jié)構(gòu)，其二為界面形成了的薄膜狀A(yù)l2O3。2種形態(tài)對(duì)界面強(qiáng)度均有貢獻(xiàn)，樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的納米晶可起到釘扎作用，而Al2O3薄膜則將2個(gè)界面“膠”粘結(jié)在一起，形成永久鍵合。

孟慶森［14］研究了硼硅玻璃與單晶Si和Al的陽(yáng)極鍵合主要工藝參數(shù)的影響及形成機(jī)理。連接區(qū)接頭結(jié)構(gòu)形式為:Si(Al)—過(guò)渡區(qū)氧化物—K4，過(guò)渡層為Si/Al、Na的復(fù)合氧化物結(jié)構(gòu)。焊接時(shí)間越長(zhǎng)，過(guò)渡區(qū)越寬;電壓一定時(shí)，溫度升高，接合率一般增加。電壓和溫度一定的條件下，外加壓力成為控制接合率的主要因素。外加壓力小于0.05 MPa或試件表面粗糙度較低時(shí)，連接易產(chǎn)生孔洞串或虛焊點(diǎn)，使連接強(qiáng)度顯著下降。一定的外壓力主要使被焊材料表面產(chǎn)生彈性變形并進(jìn)而緊密接觸，較小的界面電阻有利于提高靜電引力，使極化電流快速升高和加速離子的擴(kuò)散。各工藝參數(shù)對(duì)接頭剪切強(qiáng)度和結(jié)合率的影響如表1所示。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)金屬/玻璃陽(yáng)極鍵合的研究工作還比較零散，主要集中在工藝優(yōu)化方面，對(duì)鍵合對(duì)機(jī)制的認(rèn)識(shí)研究還不深入，一些問(wèn)題諸如Na+遷移，耗盡層形成動(dòng)力學(xué)，玻璃表面結(jié)構(gòu)變化等和鍵合機(jī)理解釋等問(wèn)題還沒(méi)有形成共識(shí)，有待進(jìn)一步研究。

表1 工藝參數(shù)對(duì)連接質(zhì)量的影響［14］Table 1 Influence of process parameters on bonding quality［14］

2.3 釬焊連接

玻璃為非晶態(tài)，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與熔融釬料潤(rùn)濕性較差，直接釬焊較為困難?；钚遭F焊是通過(guò)添加少量活性元素(Ag、Ti、Ni等)，促進(jìn)釬料在玻璃表面的浸潤(rùn)，從而進(jìn)一步與玻璃側(cè)形成反應(yīng)層，形成冶金連接。在釬焊玻璃的釬料體系中較為常用的有 Ag-Cu-Ti、TiZrNiCu、Cu-Ti系列活性釬料，這些釬料釬焊接頭一般較高。

超聲波振動(dòng)輔助釬焊是利用超聲在液態(tài)釬料中產(chǎn)生的空化射流等作用以促進(jìn)釬料與母材之間的潤(rùn)濕，利用超聲還能增加玻璃表面斷鍵，增加機(jī)械嵌合作用，可以實(shí)現(xiàn)難潤(rùn)濕材料的連接，為實(shí)現(xiàn)玻璃的連接提供了一條新途徑［15］。

A.Guedes等［16］采用64Ag34.5Cu1.5Ti釬料釬焊TC4和氟硅酸鹽玻璃陶瓷，剪切強(qiáng)度在60 MPa左右。玻璃陶瓷側(cè)，發(fā)現(xiàn)大量Ti的氧化物存在，經(jīng)過(guò)計(jì)算在850℃和930℃時(shí)，反應(yīng)2Ti+SiO2→2TiO2+Si的自由能為負(fù)值，說(shuō)明該反應(yīng)是可以進(jìn)行的。研究認(rèn)為T(mén)C4側(cè)反應(yīng)層厚度以及中間層中Ag(s.s)的分布只受釬焊溫度影響。

劉多等［17］采用AgCuTi和TiZrNiCu釬料活性釬焊SiO2玻璃陶瓷與TC4鈦合金，接頭微觀組織形貌見(jiàn)圖4。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)釬焊溫度為880℃、保溫時(shí)間為5 min時(shí)，接頭的最高抗剪強(qiáng)度為23 MPa;當(dāng)釬焊溫度為900℃、保溫時(shí)間為5 min時(shí)，接頭的最高抗剪強(qiáng)度為27 MPa。

劉洪斌［18］采用 AgCuTi釬料對(duì) SiO2陶瓷和30Cr3高強(qiáng)鋼進(jìn)行了真空釬焊連接，接頭形貌如圖5所示，當(dāng)釬焊溫度950℃，保溫時(shí)間5 min時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度最大37 MPa。研究認(rèn)為釬料中Ti作為一種活性元素，與SiO2陶瓷側(cè)能夠發(fā)生如下反應(yīng):Ti+SiO2→ Ti4O7+TiSi2;與高強(qiáng)鋼側(cè)發(fā)生反應(yīng):Ti+Fe→ TiFe2，反應(yīng)產(chǎn)物具有金屬特性，各反應(yīng)層的形成促進(jìn)了SiO2陶瓷與30Cr3高強(qiáng)鋼的化學(xué)冶金結(jié)合。

圖4 TiZrNiCu釬料釬焊接頭SEM形貌［17］Fig.4 Morphology of SiO2ceramic/AgCuTi/TC4 joint［17］

圖5 連接溫度950℃，保溫時(shí)間5 min時(shí)界面SEM形貌［18］Fig.5 Interface of SiO2ceramic/AgCuTi/30Cr3 joint brazed at 950 ℃ for 5 min［18］

孫小磊［15］采用純Zn和純Sn釬料進(jìn)行玻璃/Al的超聲波釬焊。純Zn釬料接頭組織為α-Al(s.s)、Zn、Al共析和共晶組織。純 Sn釬料接頭組織為純 Al、Sn-Al共晶和 β-Sn(s.s)。2 種釬焊接頭玻璃側(cè)界面平直，沒(méi)有溶解擴(kuò)散現(xiàn)象(圖6)。工藝參數(shù)對(duì)剪切強(qiáng)度及斷裂位置的影響如表2所示。研究認(rèn)為，超聲波振動(dòng)促進(jìn)一方面能促進(jìn)釬料鉆縫，另一方面超聲的空化及射流作用使釬料以高溫高壓的狀態(tài)接觸到母材表面，改善母材與釬料的潤(rùn)濕性。此外，超聲的空化及射流作用形成的局部高溫高壓環(huán)境不僅增加了玻璃表面斷鍵數(shù)量，促使玻璃與金屬之間鍵合，同時(shí)增加了玻璃表面粗糙度，使二者形成致密的機(jī)械咬合，增加了連接強(qiáng)度。

德國(guó)學(xué)者 Matthias M.Koebel［19］利用含有活性金屬的Sn基料，在電場(chǎng)作用下進(jìn)行Al/玻璃的釬焊連接(ALTSAB法)。對(duì)2組試樣在真空度為5×10－4，溫度300℃進(jìn)行連接試驗(yàn)，并和標(biāo)準(zhǔn)的陽(yáng)極焊Al/玻璃試樣對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ALTSAB法所得試樣接頭界面良好，接頭剪切強(qiáng)度大于16 MPa，由于填充金屬為液態(tài)，相比于標(biāo)準(zhǔn)的陽(yáng)極焊，ALTSAB法有更好的表面適應(yīng)性。SnAl0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金釬料與玻璃有較好的潤(rùn)濕(圖7)。該方法焊前玻璃表面無(wú)須金屬化，也無(wú)需加壓力。通過(guò)SEM和EDS證實(shí)了連接界面處存在Al元素的富集。

玻璃/金屬釬焊法具有連接強(qiáng)度高、工藝簡(jiǎn)單、接頭形狀尺寸適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，但是釬焊法所需溫度較高且需要真空施焊，限制了該方法的廣泛應(yīng)用。

圖6 純Zn釬料釬焊玻璃/Al接頭微觀形貌［15］Fig.6 Morphology of the interface of glass/Zn/Al joint［15］

表2 超聲波釬焊工藝參數(shù)及強(qiáng)度［15］Table 2 The process parameters of ultrasonic brazing and the shear strength of joint［15］

圖7 ALTSAB法和無(wú)電場(chǎng)輔助釬焊試樣接頭形貌［19］Fig.7 SEM micrograph of cross-section of glass/glass brazed joint［19］

2.4 激光輔助連接

季凌飛［20］根據(jù)可伐合金和玻璃2種材料對(duì)1.07 pm波長(zhǎng)的激光具有選擇吸收機(jī)制，然后利用兩者完全不同的熱力學(xué)參數(shù)，使激光束直接作用金屬表面的氧化層，通過(guò)熱傳導(dǎo)及后續(xù)的激光能量輸入等物理化學(xué)機(jī)制，使玻璃和金屬發(fā)生一系列的反應(yīng)，最終形成良好的接頭。由于激光聚焦后光斑功率密度非常高，可使加工表面溫度迅速上升，輻照結(jié)束溫度則又迅速下降，高溫急冷可致極小熱影響區(qū)，從而減小封接處的應(yīng)力。

馬子文［21］利用激光與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)器件的局部加熱鍵合原理(圖8)，提出了一種新的無(wú)需外壓力作用的Si/玻璃激光局部鍵合方法，其實(shí)質(zhì)是直接鍵合與局部鍵合的結(jié)合。在鍵合過(guò)程中既發(fā)生了高溫退火又發(fā)生了一部分材料的熔融。試驗(yàn)首先對(duì)Si和玻璃進(jìn)行親水性表面活化處理和預(yù)鍵合，然后選擇合適的激光參數(shù)及加工環(huán)境實(shí)現(xiàn)了兩者的連接。研究了激光功率、激光掃描速度、底板材料等的影響，發(fā)現(xiàn)激光功率越大，掃描速度越小，鍵合線(xiàn)的寬度就越大。該方法能有效減少鍵合片的殘余應(yīng)力，控制鍵合線(xiàn)寬，剪切強(qiáng)度可達(dá)6.5～6.8 MPa。

圖8 激光輔助鍵合原理圖［21］Fig.8 Schematic diagram of laser assisted bonding［21］

2.5 超聲波摩擦焊

超聲波焊接具有焊件變形小、焊點(diǎn)強(qiáng)度高、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在電子電器、航空航天及核能工業(yè)具有廣泛應(yīng)用，其原理是利用超聲頻率的機(jī)械振動(dòng)和靜壓力的作用下，實(shí)現(xiàn)同種或異種材料(金屬/陶瓷、塑料、半導(dǎo)體等)連接的方法［22］。

Martin Rauter等［23］研究 Al/硼硅酸鹽玻璃的超聲波焊接，研究認(rèn)為一定的能量輸入能夠使SiO2與Al達(dá)到原子尺度的相互作用，來(lái)獲得可靠的接頭。試驗(yàn)采用一定工藝獲得接頭的最大剪切強(qiáng)度達(dá)到20 MPa，但作者利用透射電鏡對(duì)試件界面進(jìn)行分析，沒(méi)有找到任何擴(kuò)散區(qū)域或過(guò)渡層。

Shinichi Matsuoka［24］對(duì)玻璃與金屬的超聲波焊接也進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)焊前在玻璃、陶瓷表面金屬化或在玻璃、利用低熔點(diǎn)活性金屬作為中間層均可以獲得性能優(yōu)良的接頭。作者采用對(duì)玻璃表面鍍銅處理實(shí)現(xiàn)了硅酸鹽玻璃/A1050H鋁合金的連接(圖9)。

圖9 玻璃表面鍍Cu的玻璃/Al超聲波焊接接頭［24］Fig.9 The interface of Al/glass(coated with Cu)ultrasonic welding joint［24］

張建華［25］發(fā)明了一種用于光電器件封裝的超聲波鍵合方法及專(zhuān)用超聲波焊機(jī)。在鍵合過(guò)程當(dāng)中，采用夾具對(duì)兩玻璃基片對(duì)位，然后通過(guò)超聲波焊機(jī)產(chǎn)生的高頻機(jī)械振動(dòng)傳至接合面上，接合面在施加的作用力和分子間的摩擦的雙重作用下，溫度升高到玻璃密封料的熔點(diǎn)(高于玻璃基板轉(zhuǎn)化溫度)，停止鍵合后，玻璃粉冷卻并固化完成鍵合。在固化過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)接合面熔融玻璃材料和鍵合作用表面的退火，可顯著減少應(yīng)力集中或應(yīng)力的不均勻分布情形。

超聲波焊機(jī)的“開(kāi)敞性”比較差，工件的伸入尺寸不能超過(guò)焊接系統(tǒng)所允許的范圍，接頭形式目前只限于搭接接頭。此外，焊點(diǎn)表面容易出高頻機(jī)械振動(dòng)而引起邊緣的疲勞破壞，對(duì)焊接硬而脆的材料不利［26］。

2.6 半固態(tài)連接

半固態(tài)連接是將金屬或合金在固相線(xiàn)與液相線(xiàn)溫度區(qū)間進(jìn)行連接的一種方法，該方法具有加工溫度較低、凝固收縮小、材料的變形量小及非枝晶的顯微組織使連接件的力學(xué)性能高等優(yōu)點(diǎn)。此外，半固態(tài)金屬的流動(dòng)性好，具有良好的幾何形狀的適應(yīng)性及良好的操作性易于實(shí)現(xiàn)異種材料的連接［27］。

M.Kiuchi等［28］根據(jù)半固態(tài)金屬所具有的良好地變形成型能力等特點(diǎn)，采用半固態(tài)連接的方法進(jìn)行玻璃/A2011鋁合金的焊接。實(shí)驗(yàn)前，先將玻璃表面鍍一層陶瓷薄膜，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)74%的鋁合金放入模具中，加熱至620℃達(dá)到半固態(tài)，然后對(duì)二者施加20 MPa的壓力，快冷并保壓直至接頭冷卻。焊接過(guò)程中，呈半固態(tài)的鋁合金能夠很好地與母材表面接觸，從而形成化學(xué)冶金連接。從鋁合金和玻璃界面的顯微照片可以看到，界面的幾何形狀很不規(guī)則，這說(shuō)明在接近邊界的區(qū)域內(nèi)生成了某種化合物。連接過(guò)程示意圖及界面形貌如圖10、圖11所示。

圖10 玻璃/A2011半固態(tài)連接過(guò)程示意圖［28］Fig.10 Schematic diagram of semisolid joining of glass and A2011［28］

圖11 玻璃/A2011半固態(tài)連接接頭界面形貌［28］Fig.11 Interface morphology of glass/A2011 semisolid joint［28］

2.7 膠接

膠接是利用在聯(lián)接面上產(chǎn)生的機(jī)械結(jié)合力、物理吸附力和化學(xué)鍵合力而使2個(gè)膠接件起來(lái)的工藝方法。膠接具有對(duì)工藝、設(shè)備要求簡(jiǎn)單、連接溫度低、膠接件不易產(chǎn)生變形、接頭應(yīng)力分布均勻、接頭具有良好的密封性、電絕緣性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。膠接不僅適用于同種材料，也適用于異種材料。但膠接法接頭耐高溫性差、不耐腐蝕，易老化，大多數(shù)膠黏劑在受到某些溶劑、氧化劑或射線(xiàn)影響時(shí)容易發(fā)生變化，這極大地局限了玻璃與金屬的連接［29］。

M.Overend等［30］采用5種不同的膠黏劑進(jìn)行玻璃和鋼的連接試驗(yàn)，通過(guò)剪切試驗(yàn)來(lái)選擇合適的膠黏劑。研究發(fā)現(xiàn)，膠接接頭剪切強(qiáng)度與膠黏劑的厚度成反比。通過(guò)有限元模擬發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力集中區(qū)以外，彈性模型和粘彈性模型的有限元模擬所得結(jié)果基本吻合，而解析法得出的應(yīng)力值偏低。在低載荷時(shí)，解析法和有限元模擬結(jié)果相差不到10%，但載荷超過(guò)0.72 kN時(shí)，二者相差很大。彈性模型和粘彈性模型隨著載荷增大，模擬結(jié)果偏差也增大(圖12)。

圖12 有機(jī)硅粘結(jié)劑接頭強(qiáng)度解析法及有限元模擬［30］Fig.12 Simulation of distribution of adhesive joint along the interface by analytical and finite element method［30］

3 結(jié)束語(yǔ)

全面地介紹了國(guó)內(nèi)外玻璃-金屬連接的一些方法，各種方法有各自特點(diǎn)及適用范圍;針對(duì)兩者連接的研究工作雖取得了較大進(jìn)步，但基本上仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離工程實(shí)用化還有很大差距;許多理論及工藝方面的問(wèn)題有待解決，所連接的金屬材料也有待于豐富。如何選擇合適的低溫連接工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者的可靠連接是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

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