孫道明

沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110000

無機(jī)非金屬材料與金屬材料連接的研究概述

孫道明

沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110000

無機(jī)非金屬材料的廣泛應(yīng)用原因在于材料自身的優(yōu)勢，當(dāng)前無機(jī)非金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓展至各種行業(yè)，但無機(jī)非金屬材料同時(shí)還具有很多缺陷。例如，無機(jī)非金屬材料的塑韌性非常差，因此對材料的制作和利用難度較高，只能夠制作出復(fù)雜程度較低的結(jié)構(gòu)；由于無機(jī)非金屬材料的冷加工性能很差，因此材料在應(yīng)用的過程當(dāng)中常會(huì)被很多因素限制。對比無機(jī)非金屬材料，金屬材料具備良好的強(qiáng)度和韌性，材料加工性能良好，能夠一定程度彌補(bǔ)無機(jī)非金屬材料應(yīng)用過程中的很多不足，因此研究界開始將研究重點(diǎn)放在無機(jī)非金屬材料和金屬材料的連接上，以求拓展材料連接的應(yīng)用范圍。

無機(jī)非金屬材料；金屬材料；連接

分析無機(jī)非金屬材料和金屬材料連接過程中遇到的主要難題可知，其中主要阻礙是兩種材料的物理化學(xué)性不相容，同時(shí)還受到連接熱應(yīng)力的阻礙。常見的無機(jī)非金屬材料包含玻璃和陶瓷等，陶瓷屬于絕緣體的一種，在其和玻璃連接的過程中，由于玻璃材料具有良好的透光性，容易加工，其能夠轉(zhuǎn)換成不同的形狀等優(yōu)勢在真空領(lǐng)域的應(yīng)用狀況良好。無機(jī)非金屬材料和金屬材料之間連接的形式很多，例如，玻璃和金屬材料的封接、陶瓷和金屬材料的封接、陶瓷和金屬材料的活性釬焊、陶瓷和金屬材料的瞬間液相擴(kuò)散焊、陶瓷和金屬材料的熔釬焊等，下文將做詳細(xì)介紹。

1 玻璃—金屬封接工藝

張露露、楊學(xué)林、倪世兵研究認(rèn)為，玻璃和金屬材料的封接工藝對金屬表面實(shí)施預(yù)氧化操作，在達(dá)到預(yù)氧化標(biāo)準(zhǔn)之后能夠?qū)崿F(xiàn)二者的連接，分析Kovar合金的性質(zhì)可知，其熱膨脹系數(shù)十分接近于玻璃，能夠顯著降低兩種材料的連接熱應(yīng)力阻礙。玻璃－金屬封接工藝結(jié)合過程中需要解決的重點(diǎn)問題是兩種化學(xué)材料的不相容和熱應(yīng)力的問題，玻璃是典型的非金屬材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是共價(jià)鍵連接結(jié)構(gòu)，金屬材料的結(jié)合方式是電子云，因此阻礙了二者的結(jié)合。

石芳蘭認(rèn)為，玻璃和金屬的熱膨脹系數(shù)差距很大，即使兩種物質(zhì)能夠在潤濕的條件下連接，也會(huì)在冷卻的時(shí)候受到應(yīng)力影響，可能會(huì)導(dǎo)致玻璃發(fā)生炸裂。為了解決玻璃材料和金屬材料兩種不同物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)不相容的狀況，需要首先對兩種材料的性質(zhì)進(jìn)行改變，由此實(shí)現(xiàn)熔融玻璃和金屬的潤濕鋪展。為了解決玻璃材料和金屬材料之間的封接應(yīng)力難題，研究學(xué)者將研究重點(diǎn)放在兩種材料的熱膨脹系數(shù)商，開始尋找熱膨脹系數(shù)接近的金屬材料和玻璃材料，例如，常使用的Fe-Co-Ni系列膨脹合金和封接玻璃。

2 陶瓷—金屬封接工藝

樊洋經(jīng)過研究實(shí)踐認(rèn)為，陶瓷和金屬材料連接使用的封接工藝其連接原理主要是對陶瓷材料的表面實(shí)施固定操作來拉近兩種材料的性質(zhì)相似性，例如，通過涂膏方式、燒結(jié)方式、電鍍方式等，經(jīng)過以上操作的實(shí)施，能夠在陶瓷表面形成一種十分相近于金屬材料的金屬化層，提升二者連接的緊密性，由此才能實(shí)現(xiàn)二者的融合，保證陶瓷表面達(dá)到能夠和金屬材料釬焊連接的要求。根據(jù)近年來的研究顯示，很多研究將關(guān)注點(diǎn)放在無機(jī)非金屬材料和金屬材料的連接上，在該過程中的連接問題可能會(huì)受到化學(xué)不相容或者熱應(yīng)力問題的阻礙。就目前來看，很多工廠針對用陶瓷和金屬材料之間的連接使用燒結(jié)金屬粉末法。分析陶瓷－金屬封接工藝的重要環(huán)節(jié)可知，陶瓷表面金屬化層的質(zhì)量才是重點(diǎn)，決定了二者的連接質(zhì)量。

許天才、彭曉東、姜軍偉等人認(rèn)為，無機(jī)非金屬材料和金屬材料在進(jìn)行金屬化操作的過程中，其中的Mo顆粒會(huì)發(fā)生狀態(tài)的變化，從原先的狀態(tài)變成骨架結(jié)構(gòu)，其中金屬粉中的玻璃能夠填滿整個(gè)骨架結(jié)構(gòu)，不留空隙，填充完整。同時(shí)會(huì)將其和95%的陶瓷玻璃相連接在一起，利用毛細(xì)作用將其放入到陶瓷材料之中，由此能夠拉近兩種材料的屬性，形成兩者之間強(qiáng)度較高、十分細(xì)密的金屬化層。當(dāng)其中玻璃相的含量偏高的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)很多內(nèi)閉合的氣孔，國內(nèi)研究學(xué)者針對以上內(nèi)容的研究和分析焦點(diǎn)都在研究陶瓷表面的金屬化分析上，重點(diǎn)研究內(nèi)容是注重?zé)o機(jī)非金屬材料金屬化強(qiáng)度的提升。由于受到制作工藝局限性的影響，陶瓷會(huì)出現(xiàn)表面或者內(nèi)部缺陷的狀況，導(dǎo)致在實(shí)現(xiàn)金屬和陶瓷連接過程中呈現(xiàn)出強(qiáng)度不集中的現(xiàn)象。

3 陶瓷—金屬活性釬焊

戴曉云認(rèn)為陶瓷－金屬活性釬焊的連接主要是通過活性元素的使用來完成陶瓷反應(yīng)連接的過程，該種連接方式能夠顯著降低連接工藝的復(fù)雜程度，分析陶瓷－金屬活性釬焊工藝的具體過程可知，在傳統(tǒng)釬焊方法的指引下，利用活性成分來增加釬料對不同物質(zhì)的親和能力，例如，常見的活性成分包含氧化物、硅酸鹽等。

武高輝主要針對SiC陶瓷的活性釬焊過程進(jìn)行了研究，分析工藝過程的溫度控制和保溫時(shí)間等因素，最后分析了該工藝的應(yīng)用對接頭力學(xué)的影響作用，研究認(rèn)為，當(dāng)釬焊溫度提升的時(shí)候，其強(qiáng)度會(huì)提升，彎曲強(qiáng)度很高，如果保溫時(shí)間很久，會(huì)增加釬料和陶瓷之間的反應(yīng)厚度，因此導(dǎo)致連接過程出現(xiàn)脆性金屬間化合物，降低了連接質(zhì)量。

4 陶瓷—金屬過渡液相擴(kuò)散焊

張盼、何宇航、張琪等人認(rèn)為陶瓷－金屬的活性釬焊工藝能夠?qū)崿F(xiàn)無機(jī)非金屬材料和金屬材料之間的連接，且連接可靠性較強(qiáng)，但該過程會(huì)出現(xiàn)接頭受到高溫高應(yīng)力無法適應(yīng)的狀況，原因在于活性釬焊過程中連接的溫度很低，如果一味提升釬焊溫度的話，還會(huì)造成熱應(yīng)力的增加。

吳健松、肖應(yīng)凱、梁海群等人指出，陶瓷和金屬材料之間擴(kuò)散焊進(jìn)行的過程中，其中間層具有強(qiáng)大的復(fù)合能力，其整體結(jié)構(gòu)是由一個(gè)很薄的熔點(diǎn)很低的金屬鋪置在厚度很高的核心層上面，由于金屬或者合金的熔點(diǎn)偏低，當(dāng)薄層受熱融化后會(huì)流向高熔點(diǎn)的材料，在接觸的時(shí)候發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致溶液消失，因此其中間合金或者中間層的性質(zhì)主要決定物是高熔點(diǎn)位置的核心材料。

5 結(jié)論

無機(jī)非金屬和金屬材料的物理化學(xué)性是不相容的，同時(shí)還受到材料熱應(yīng)力的阻礙。

首先，玻璃材料和金屬的連接需要對玻璃實(shí)施預(yù)氧化，提升材料的濕潤度，從而使用Kovar 合金等來拉近金屬材料和無機(jī)非金屬材料的熱膨脹系數(shù)，降低二者連接過程的熱應(yīng)力問題。其次，陶瓷材料和金屬材料的連接需要對陶瓷進(jìn)行二次加工，對其實(shí)施涂膏、燒結(jié)、電鍍等過程之后，在陶瓷的表面形成一種有利于二者連接的金屬化層，有助于陶瓷和金屬材料的連接，順利完成釬焊。第三，陶瓷－金屬活性釬焊過程需要使用活性元素來幫助連接完成，極大程度降低工藝的復(fù)雜程度。第四，陶瓷－金屬過渡液相擴(kuò)散焊工藝需要中間層的增加，降低釬焊的應(yīng)力阻礙，提升接頭處的性能和高溫。可見無機(jī)非金屬材料和金屬材料的連接中，不同連接工藝都存在優(yōu)勢和缺陷，因此實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和科學(xué)研究中，需要根據(jù)實(shí)際需求來適當(dāng)選擇連接方式。

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A

1674-6708（2016）171-0156-02

孫道明，沈陽工業(yè)大學(xué)。