焦仁寶，榮守范，李洪波，朱永長(zhǎng)，劉文斌，張圳炫

（1.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，佳木斯154007；2.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，佳木斯154007）

1 前言

先進(jìn)陶瓷材料具有硬度高、強(qiáng)度大、耐高溫、耐磨性能好、抗腐蝕、抗氧化等優(yōu)良的特性和廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在電子、能源、交通、發(fā)動(dòng)機(jī)制造、航空航天等領(lǐng)域。然而，陶瓷的韌性值較低，屬于脆性材料，采用機(jī)械加工的方法難以制備出尺寸較大和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，為了克服先進(jìn)陶瓷的脆性及難加工等問(wèn)題，拓寬其進(jìn)一步的應(yīng)用與發(fā)展，常將陶瓷與金屬連接起來(lái)，在性能上形成一種互補(bǔ)關(guān)系，使之成為理想的結(jié)構(gòu)和工程材料，以滿足現(xiàn)代工程的應(yīng)用[1-2]。陶瓷與金屬的連接既是連接領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題又是難點(diǎn)問(wèn)題，首先金屬與陶瓷在化學(xué)鍵型、物理和化學(xué)特性、力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)等方面具有較大的差異；其次，陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)相差較大，連接時(shí)在界面處導(dǎo)致殘余應(yīng)力的集中，致使接頭強(qiáng)度下降。生產(chǎn)中常用釬焊或擴(kuò)散焊的方法將陶瓷與金屬（陶瓷）連接起來(lái)，隨著連接技術(shù)的深入研究，相繼研發(fā)了一些新的方法（中性原子束焊、激光焊、超聲波焊、微波焊以及燃燒合成技術(shù)等）[3]。本文針對(duì)近年陶瓷與金屬連接而開(kāi)發(fā)的連接技術(shù)進(jìn)行闡述，總結(jié)最新的研究成果并對(duì)其進(jìn)行展望。

2 陶瓷與金屬的連接技術(shù)

15世紀(jì)中葉，我國(guó)明代景泰藍(lán)的制作開(kāi)創(chuàng)了陶瓷與金屬連接技術(shù)的先河，但是，具有產(chǎn)業(yè)化的、工業(yè)規(guī)模的連接技術(shù)則始于20世紀(jì)30年代。Wattery和德律風(fēng)根公司的Pulfrich于1935～1939年在陶瓷表面噴涂一層高熔點(diǎn)金屬（Ni、W、Fe、Cr、Mo）進(jìn)行活化處理，采用間接釬焊的方法，制造陶瓷電子管，該項(xiàng)技術(shù)于1940年獲得專利，稱之為德律風(fēng)根法。1950年美國(guó)H.J.Nolte和R.F.Spurk用Mo-Mn法實(shí)現(xiàn)了氧化鋁陶瓷和鎂橄欖石表面金屬化，后來(lái)由Cole、Folyd和Denton等人對(duì)這一工藝進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。隨著活性金屬法和Mo-Mn金屬化工藝的相繼出現(xiàn)，陶瓷與金屬連接技術(shù)進(jìn)入了全面的發(fā)展時(shí)期。1969年美國(guó)W.M.Philips提出生瓷板高溫?zé)Y(jié)金屬化工藝，使陶瓷的燒結(jié)和金屬化在同一工序中完成。隨著連接工藝的發(fā)展和成熟、連接材料和連接機(jī)理的深入研究，進(jìn)一步促進(jìn)了連接技術(shù)的不斷改進(jìn)和更新[4]。

目前，關(guān)于陶瓷與金屬連接方法的研究主要集中在機(jī)械連接與粘接、釬焊連接、擴(kuò)散焊連接、熔化焊、自蔓延高溫合成連接、混合氧化物連接以及其他的連接方法等。

2.1 機(jī)械連接與粘接技術(shù)

螺栓固定連接和熱套連接是機(jī)械連接常用的兩種技術(shù)。其中熱套連接是利用金屬比陶瓷的熱膨脹系數(shù)明顯大的固有特性，在高溫時(shí)金屬膨脹可套在陶瓷外側(cè)，隨后冷卻過(guò)程中，金屬的收縮量比陶瓷大而緊密地連接在一起。螺栓固定連接的接頭可拆卸，方法簡(jiǎn)單，連接強(qiáng)度較高，甚至能獲得氣密性較好的接頭。熱套法已部分用于渦輪增壓轉(zhuǎn)子與金屬軸的連接、汽車(chē)火花塞的生產(chǎn)中[5]。采用機(jī)械連接技術(shù)連接大尺寸構(gòu)件時(shí)，在夾持部位常常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，而熱套法只能在遠(yuǎn)低于熱套溫度的環(huán)境下使用。

粘接連接技術(shù)利用無(wú)機(jī)或有機(jī)膠黏劑將陶瓷與金屬連接在一起，連接強(qiáng)度取決于膠黏劑的粘合力。廣泛用于飛機(jī)的應(yīng)急修理、渦輪和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的修復(fù)或連接、導(dǎo)彈或炮彈的輔助件的連接等方面。20世紀(jì)70年代美國(guó)和澳大利亞等國(guó)采用此技術(shù)對(duì)損傷的不同型號(hào)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行膠接修理，得到比較理想的結(jié)果。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑適用于較高的使用溫度，缺點(diǎn)是真空密封性差，強(qiáng)度低（＜10 MPa），常用于受力較低的零件連接[6]。有機(jī)粘結(jié)劑適應(yīng)性廣，對(duì)于接頭強(qiáng)度低于100 MPa的構(gòu)件可獲得滿意的效果，但其耐高溫性能差，當(dāng)使用溫度高于180℃時(shí)，連接迅速失效，所以該技術(shù)在動(dòng)力工程和航空工業(yè)上應(yīng)謹(jǐn)慎使用?？傊?，粘接的最大優(yōu)點(diǎn)是效率高、成本低。

2.2 釬焊連接技術(shù)

釬焊采用液相線溫度比母材固相線溫度低的材料作釬料，將釬料加熱至熔化狀態(tài)，并對(duì)母材具有較好的潤(rùn)濕性、填充接頭間隙，隨后液態(tài)釬料結(jié)晶凝固，從而實(shí)現(xiàn)零件的連接。釬料在陶瓷上具有較小的潤(rùn)濕角是實(shí)現(xiàn)冶金連接的前提。從熱力學(xué)的角度來(lái)看，釬料的潤(rùn)濕是指液態(tài)釬料與母材接觸后使體系自由能降低的過(guò)程；從能量的角度來(lái)看，提高陶瓷表面能，有利于釬料的潤(rùn)濕及鋪展。潤(rùn)濕分為附著潤(rùn)濕、鋪展?jié)櫇窈徒n潤(rùn)濕，對(duì)于陶瓷與金屬的釬焊來(lái)說(shuō)，除了上述潤(rùn)濕形式之外，還存在反應(yīng)型潤(rùn)濕，這種潤(rùn)濕的本質(zhì)是液態(tài)金屬釬料先在陶瓷與金屬表面產(chǎn)生吸附，然后發(fā)生溶解，進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)釬料和母材的連接。為了使釬料潤(rùn)濕陶瓷的表面，廣大的科研工作者通過(guò)陶瓷表面的處理（表面生長(zhǎng)碳納米管、表面生長(zhǎng)石墨烯、表面外延生長(zhǎng)晶須、表面金屬化等），或在釬料中添加活性金屬元素（Ti、Zr、Hf、V）等方法予以解決。

（1）連接表面生長(zhǎng)碳納米管和石墨烯對(duì)潤(rùn)濕的影響

采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法在陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料表面上生長(zhǎng)一層碳納米管，然后采用Ag-Cu-Ti釬料在復(fù)合材料表面進(jìn)行潤(rùn)濕試驗(yàn)。在加熱溫度850℃、保溫l0 min的條件下，釬料在SiO2f/SiO2復(fù)合材料表面上的潤(rùn)濕角為136°；與此相比，表面生長(zhǎng)碳納米管的SiO2f/SiO2復(fù)合材料表面的潤(rùn)濕角為43°。由此可見(jiàn)，在相同的釬料及連接規(guī)范下，表面生長(zhǎng)碳納米管后，其潤(rùn)濕性大大地提高。除了在連接表面生長(zhǎng)碳納米管之外，采用上述方法在陶瓷表面生長(zhǎng)一層石墨烯。在加熱溫度為1123℃、保溫時(shí)間為0.6 ks時(shí)，釬料在末生長(zhǎng)石墨烯的表面上團(tuán)聚成球狀，潤(rùn)濕角為鈍角。在生長(zhǎng)石墨烯的表面上釬料鋪展面積較大，潤(rùn)濕角大大降低[7]。

（2）連接表面生成晶須對(duì)潤(rùn)濕性的影響

陶瓷表面原位生長(zhǎng)晶須也是處理連接表面的一種有效方法。如在Al2O3陶瓷中加入B2O3，該工藝下不需要任何催化劑或助溶劑。大量晶須外延生長(zhǎng)于陶瓷表面，晶須長(zhǎng)度在10 μm左右，分布比較均勻，表面光滑無(wú)雜質(zhì)。由于晶須中的Al主要來(lái)自于氧化鋁陶瓷母材，所以晶須與陶瓷母材結(jié)合質(zhì)量較好。晶體學(xué)分析表明：生長(zhǎng)界面的晶格錯(cuò)配度小于0.03%，屬于良好的低應(yīng)力共格界面，晶須與陶瓷母材的結(jié)合有助于實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的高質(zhì)量連接。晶須的毛細(xì)作用力有助于釬料在其表面快速鋪展。這種表面處理工藝不需要真空環(huán)境，原材料簡(jiǎn)單且對(duì)設(shè)備要求較低，適用于大批量的陶瓷表面處理，有望在工業(yè)生產(chǎn)中推廣與應(yīng)用。

（3）陶瓷表面金屬化對(duì)潤(rùn)濕性的影響

陶瓷表面金屬化的主要方法有Mo-Mn法、氣相沉積、離子注入和化學(xué)鍍等。其中，Mo-Mn法提出較早，但是處理過(guò)程中耗時(shí)耗能，目前已很少采用。氣相沉積法包括化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積和等離子反應(yīng)法。金屬化的目的是為了改善釬料對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕性，保護(hù)陶瓷高溫釬焊時(shí)不發(fā)生分解而產(chǎn)生空洞。

徐富家等[8]在對(duì)Al2O3陶瓷表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳處理，采用真空釬焊方法將其與5A05鋁合金連接，釬焊接頭界面組織如圖1所示，界面結(jié)構(gòu)為Al2O3/Ni（Ⅰ區(qū)）/Al3Ni2（Ⅱ區(qū)）/Al3Ni+Mg2Si（Ⅲ區(qū)）/α（Al）+Mg2Si（Ⅳ區(qū)）/5A05，接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到25 MPa。崔永麗等[9]為進(jìn)一步提高陶瓷金屬化層的釬焊性能，在此基礎(chǔ)上提出了二次金屬化鍍鎳工藝，此方法已經(jīng)在微電子行業(yè)和航空航天等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。張紅霞等[10]提出一種陶瓷表面多元離子復(fù)合滲鍍合金化的方法，采用該方法對(duì)Si3N4陶瓷表面進(jìn)行Cu-Ti復(fù)合滲鍍，在較低的真空度下實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬釬焊，為陶瓷與金屬的連接提供了一種新方法。

（4）活性釬焊法

近年來(lái)陶瓷的直接釬焊成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，該技術(shù)能簡(jiǎn)化陶瓷構(gòu)件的制備工藝過(guò)程，滿足陶瓷在高溫狀態(tài)下的使用要求。添加活性元素（Nb、Ti、Cr、Zr、Hf、Ta、V）的釬料在陶瓷表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成由金屬和陶瓷構(gòu)成的化合物反應(yīng)層，該層具有類似金屬的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的化學(xué)連接。在釬焊時(shí)含有活性元素釬料的保護(hù)是非常重要的一個(gè)問(wèn)題。其原因是活性元素易氧化，氧化后的活性元素不能與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以活性釬焊需要在真空（＞10-2Pa）或惰性保護(hù)氣體的環(huán)境中進(jìn)行連接。目前關(guān)于活性釬焊法的研究主要集中在改善釬料的潤(rùn)濕性和接頭性能上。萬(wàn)傳庚等[11]在Pd-Cu-Ti釬料中加入Ti元素，并分析了Ti元素對(duì)A12O3界面反應(yīng)的影響，結(jié)果表明隨著Ti含量增加，界面處形成的化合物層為T(mén)i3O5-Ti2O3-TiO三層。其中TiO層的界面吸附功最高，結(jié)合得最好。莊艷歆等[12]在用Sn基釬料中加入活性元素連接陶瓷與金屬時(shí)，發(fā)現(xiàn)了潤(rùn)濕前驅(qū)膜。Blugan[13]采用雙層釬料（CuSnTiZr和InCuAg）對(duì)Si3N4/TiN與14NiCrl4進(jìn)行了釬焊連接，研究發(fā)現(xiàn)，四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度明顯改善，原因是雙層釬料的應(yīng)用抑制有害反應(yīng)的發(fā)生，避免生成脆性相。陶瓷與金屬釬焊連接存在著熱膨脹系數(shù)相差較大，在界面上產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力；不能有效地大面積連接；接頭結(jié)合強(qiáng)度較低等問(wèn)題。

2.3 擴(kuò)散焊連接技術(shù)

為了進(jìn)一步提高陶瓷和金屬連接接頭的強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外的研究人員進(jìn)行了大量的科研工作，并取得了顯著的成果，部分?jǐn)?shù)據(jù)列于表1中。前蘇聯(lián)kavakov于20世紀(jì)50年代中期提出擴(kuò)散連接技術(shù)，此后相繼出現(xiàn)了固相擴(kuò)散連接、瞬間液相連接、部分瞬間液相連接和場(chǎng)助擴(kuò)散連接，對(duì)提高接頭的強(qiáng)度起到促進(jìn)作用。

2.3.1 固相擴(kuò)散連接

固相擴(kuò)散連接一般在真空或惰性氣氛中進(jìn)行，借助一定溫度、壓力的作用，激活界面原子、加速原子擴(kuò)散及化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的連接。該連接涉及到回復(fù)、再結(jié)晶、晶界變化以及在相互接觸的界面形成金屬鍵和化學(xué)鍵。固相擴(kuò)散連接與壓力燒結(jié)機(jī)理相類似，即具有界面微觀塑性變形、蠕變強(qiáng)化、物質(zhì)傳輸?shù)入A段。由于材料的熱膨脹系數(shù)差異較大及物性的不同，很難實(shí)現(xiàn)直接連接，需通過(guò)中間層（復(fù)合中間層）的過(guò)渡。

關(guān)于固相擴(kuò)散連接的研究主要集中在相結(jié)構(gòu)分析、接頭組織性能、工藝參數(shù)的優(yōu)化及交互作用等幾個(gè)方面。據(jù)報(bào)道，普惠公司F119發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片采用固相擴(kuò)散連接方法實(shí)現(xiàn)了陶瓷與金屬的連接。接頭不存在熔化焊缺陷和過(guò)熱組織熱影響區(qū)，質(zhì)量穩(wěn)定、可以增加中間層，對(duì)陶瓷材料無(wú)須表面金屬化。固相擴(kuò)散焊可滿足高溫應(yīng)用的要求，工作溫度達(dá)2050 K，但工藝過(guò)程復(fù)雜，對(duì)連接表面的加工和連接設(shè)備要求較高。

2.3.2 瞬間液相連接

1974年DuvallDS[24]首次提出了瞬間液相連接的概念和機(jī)理。瞬間液相連接是在待連接構(gòu)件中間加入熔點(diǎn)低于母材的中間層，將其加熱至熔化狀態(tài)并保溫一定的時(shí)間，在連接界面上形成一定數(shù)量的液相能促進(jìn)元素向母材的擴(kuò)散，進(jìn)而發(fā)生共晶反應(yīng)。改變界面的化學(xué)成分，在凝固過(guò)程中固相成分均勻化，獲得與母材化學(xué)成分和組織均勻一致的接頭。

微米級(jí)厚度的純金屬、合金或復(fù)合金屬都可以作為瞬間液相連接的中間層，中間層一般采用箔帶、鍍層、涂層等方式。隨著非連續(xù)強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了與增強(qiáng)相的相互作用，可獲得滿意的接頭。

瞬間液相連接可用于連接難以熔焊的材料，具有構(gòu)件變形小、殘余應(yīng)力低、接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

宋昌寶[25]采用瞬間液相連接技術(shù)，在ZrC-SiC中間加入Ti-40Ni復(fù)合中間層，加熱到在1150℃，保溫15 min的條件下，在界面形成了連續(xù)的反應(yīng)層。結(jié)果顯示，此反應(yīng)層為T(mén)iC化合物，靠近TiC界面層的焊縫基體相為T(mén)iNi化合物，其中分布著顆粒狀的TiC顆粒。連接接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到172 MPa。圖2所示為界面反應(yīng)區(qū)域的明場(chǎng)像及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射花樣。

圖2 ZrC-SiC界面反應(yīng)區(qū)域明場(chǎng)像及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射花樣[25]

2.3.3 部分瞬間液相連接

在瞬間液相連接和固相擴(kuò)散連接等技術(shù)的基礎(chǔ)之上，提出部分瞬間液相連接方法（Partial Transient Liquid Phase Bonding，簡(jiǎn)稱為PTLP）。該方法解決了釬焊高溫強(qiáng)度不高和固相擴(kuò)散連接時(shí)構(gòu)件易變形等問(wèn)題。PTLP連接時(shí)，使用不均勻多層材料A/B/A（C）作為中間層，要求A（C）層的厚度和熔點(diǎn)低于B層的厚度和熔點(diǎn)，加熱時(shí)A（C）層熔化或A（C）與B界面發(fā)生反應(yīng)形成液相，且僅在近陶瓷連接處形成液相。通過(guò)液相與陶瓷的界面的反應(yīng)和B層的擴(kuò)散，可形成接近固相擴(kuò)散強(qiáng)度的接頭。關(guān)于部分瞬間液相連接的研究取得了豐碩的成果，鄒家生[26]采用10 μm厚的Ti箔，在1050℃保溫3 h的條件下，Si3N4/Ti/Cu/Ti/Si3N4接頭的室溫強(qiáng)度高達(dá)210 MPa，證明PTLP連接的效果是顯著的。PTLP連接由于有液相的生成，通過(guò)等溫凝固和固相成分均勻化，可以消除在固相連接時(shí)界面產(chǎn)生的界面孔洞。

表1 陶瓷與金屬擴(kuò)散連接的工藝參數(shù)

PTLP技術(shù)應(yīng)用于陶瓷與金屬連接工藝的時(shí)間較短，需進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題有：連接溫度高，時(shí)間長(zhǎng)對(duì)母材的性能不利；中間層材料與母材匹配困難，適用面較窄；前期的準(zhǔn)備工作復(fù)雜，給批量生產(chǎn)帶來(lái)一定的困難；評(píng)估接頭的標(biāo)準(zhǔn)主要是室溫強(qiáng)度，缺乏高溫強(qiáng)度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

2.3.4 場(chǎng)助擴(kuò)散連接

為了改進(jìn)擴(kuò)散連接的不足，場(chǎng)助擴(kuò)散連接工藝應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)借助高壓電場(chǎng)的輔助作用，使陶瓷界面的電介質(zhì)發(fā)生極化，金屬表面層內(nèi)充滿了正電荷，異性電荷的相互吸引使陶瓷一側(cè)的負(fù)離子向金屬一側(cè)遷移與擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的連接。

該方法局限于能夠發(fā)生分子極化的陶瓷與金屬箔的連接，對(duì)連接表面的要求較高。目前，利用該方法實(shí)現(xiàn)了Al2O3陶瓷與15 μm厚鋁箔的連接[27]。此外，采用機(jī)械振動(dòng)輔助瞬間液相連接、溫度梯度瞬間液相連接、雙溫工藝瞬間液相連接和非軸向定壓力瞬間液相連接等輔助工藝，改善了接頭的性能。

2.4 自蔓延高溫合成技術(shù)

自蔓延高溫合成技術(shù)（Self-propagating Hightemperature Synthesis，簡(jiǎn)稱SHS）于1967年由前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov[28]發(fā)明，主要用于合成碳化物、硅化物、氮化物等難熔化合物。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，SHS技術(shù)受到冶金領(lǐng)域、物理、化學(xué)等科研工作者的廣泛關(guān)注。在高溫涂層、粉末合成、鑄造、焊接等方面獲得成功的應(yīng)用。該方法的原理是在陶瓷與金屬的連接間隙處放置能夠燃燒并放出大量生成熱的固體粉末，用電弧或其他熱源將粉末點(diǎn)燃而開(kāi)始反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生熱量，進(jìn)而推動(dòng)反應(yīng)向前發(fā)展，焊料由固態(tài)→液態(tài)，完成其內(nèi)部熱量和質(zhì)量的傳遞，最終由反應(yīng)所生成的產(chǎn)物將陶瓷與金屬牢固地連接在一起。SHS技術(shù)在同種或異種的難熔金屬、耐蝕氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷、耐熱材料和金屬間化合物連接上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

Miyamoto[29]首次利用SHS焊接技術(shù)，利用Ti+B或Ti+C粉末預(yù)壓成坯后，放置與Mo與TiB和TiC陶瓷之間，采用石墨套通電發(fā)熱來(lái)引發(fā)反應(yīng)，成功地獲得了界面結(jié)合完整的接頭。馮吉才[30]通過(guò)自蔓延高溫合成法連接TiAl金屬間化合物和TiC陶瓷。李樹(shù)杰[31]采用加壓SHS焊接工藝，連接SiC/SiC以及SiC陶瓷/Ni基高溫合金，基于潤(rùn)濕性、親和性、SHS起爆溫度及界面反應(yīng)的可能性，設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)了多種焊料配方。結(jié)果顯示，液相反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)SiC陶瓷的潤(rùn)濕性很好，液相能夠滲入陶瓷的表面孔洞之中，而且界面結(jié)合良好。成分分析證實(shí)，界面處發(fā)生了擴(kuò)散，有助于界面結(jié)合強(qiáng)度的提高。孫德超[32]采用熱應(yīng)力緩和型功能梯度Ni-Ti-C作為過(guò)渡層，利用SHS方法，實(shí)現(xiàn)了陶瓷與金屬的原位焊接。

采用SHS技術(shù)連接時(shí)，最好在保護(hù)氣氛和加壓狀態(tài)下進(jìn)行，避免產(chǎn)生氣相反應(yīng)和有害雜質(zhì)的侵入，降低接頭的連接強(qiáng)度。SHS焊接具有高效、節(jié)能、投資少、產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低、設(shè)備及工藝的通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種非常有前途的焊接方法。

目前該工藝不僅用來(lái)連接材料，而且與一些傳統(tǒng)工藝結(jié)合在一起，發(fā)展成為一系列的實(shí)用技術(shù)，如SHS熔鑄涂層、SHS離心鑄造等。

2.5 混合氧化物連接技術(shù)

使用混合氧化物的玻璃焊料，在壓力和毛細(xì)管的雙重作用下，液態(tài)焊料填充焊縫，獲得化學(xué)兼容性好的接頭。此方法有許多優(yōu)點(diǎn)：陶瓷基材的化學(xué)兼容性很好，粘度和流動(dòng)性容易控制；混合氧化物的中間層化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐堿性和抗氧化能力強(qiáng)；液態(tài)的混合氧化物能促進(jìn)擴(kuò)散效應(yīng)，在比較小的壓力作用下，高溫液相可以在金屬和陶瓷的表面形成良好的潤(rùn)濕效果。

目前，混合氧化物玻璃焊料被廣泛用于氮化硅和氧化鋁等陶瓷的連接或封接。其中，MgO-SiO2-Al2O3和Y2O3-SiO2-Al2O3開(kāi)展得最早、也是最成熟的工藝。在此基礎(chǔ)上，其他氧化物如二氧化鈦、La2O3等被添加到混合氧化物玻璃焊料中，改善接頭的連接質(zhì)量。

2.6 熔化焊連接技術(shù)

熔化焊是利用一定的熱源，使連接部位局部熔化成液體，再冷卻結(jié)晶成一體。熱源有激光、電子束、火焰、氬弧焊等。借助高能束具有加熱和冷卻速度快的優(yōu)勢(shì)，在陶瓷不熔化的情況下使金屬釬料熔化，形成有效的連接。V Curicuta[33]利用此技術(shù)連接Al2O3陶瓷與Cu，以激光做為熱源，研究了激光的不同工藝參數(shù)對(duì)接頭的影響，結(jié)果表明激光加熱所達(dá)到的溫度介于共晶的溫度與銅的熔點(diǎn)之間。目前還出現(xiàn)了用二氧化碳激光器來(lái)焊接莫來(lái)石、鎂橄欖石等新型陶瓷。激光和電子束連接對(duì)工裝夾具、配合精度及焊前準(zhǔn)備工作要求較高，設(shè)備投資昂貴，運(yùn)行成本較高，需要進(jìn)一步提高其工藝重復(fù)性和可靠性。

氬弧焊在鋁合金焊接上，取得了令人滿意的焊接質(zhì)量。然而，在陶瓷與金屬的連接上，目前尚未報(bào)道。究其原因：增強(qiáng)相與鋁合金物理性能有較大的差異，熔池的溫度難以控制，使熔池的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)與結(jié)晶方式變得復(fù)雜，易生成脆性化合物，降低接頭的使用性能。同時(shí)，在連接時(shí)產(chǎn)生氣孔等缺陷。以上原因制約著熔焊方法在陶瓷與金屬連接中的應(yīng)用。

2.7 其他連接技術(shù)

（1）微波連接

微波焊接是一種新的連接技術(shù)，利用電磁場(chǎng)與材料的相互作用，使電介質(zhì)在交變電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化和損耗（離子遷移損耗和偶極矩松弛損耗），從而完成連接。該方法以陶瓷在微波輻射場(chǎng)中的分子極化產(chǎn)生的熱量為熱源，并在一定壓力下實(shí)現(xiàn)連接。具有快速加熱、自動(dòng)控制、節(jié)能和連接強(qiáng)度高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于食品、輕紡、農(nóng)林等行業(yè)。但對(duì)介電損耗小的陶瓷還需采用耦合劑來(lái)提高產(chǎn)生的熱量[34]。

Meek[35]最早開(kāi)始了微波焊接的研究工作，利用家用微波爐實(shí)現(xiàn)了Al2O3薄片間的玻璃封接。周健[36]利用自制的微波焊接裝置，在溫度為1300℃、壓力為2.0 MPa和保溫15 min的條件下成功地進(jìn)行了直徑為40 mm的Al2O3陶瓷輥棒的微波焊接。接頭的強(qiáng)度高達(dá)420 MPa。由于產(chǎn)熱機(jī)理的制約，目前這種方法僅限于陶瓷與陶瓷本身的連接，還未見(jiàn)到有關(guān)陶瓷與金屬連接的報(bào)導(dǎo)。

微波連接是一種新興的、也是日益被重視的材料連接方法，具有很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。目前微波焊接腔體的微波場(chǎng)均勻區(qū)域還不大，改進(jìn)微波場(chǎng)的分布，擴(kuò)大加熱均勻區(qū)域，可以提高材料的焊接尺寸。同時(shí)增加焊接材料的種類，可以使微波焊接的用途更為廣泛。

（2）超聲波連接

通過(guò)超聲波振動(dòng)和加壓實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬連接的一種有效方法。在與陶瓷和金屬接合面平行的方向上施加超聲波，使陶瓷與金屬的接觸表面相互作用，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的連接。其特點(diǎn)是連接時(shí)間很短、操作簡(jiǎn)便、對(duì)連接表面的清潔程度要求不高。但要得到性能良好的接頭，必須合理地選擇連接參數(shù)[37]。目前，該方法主要用于陶瓷與鋁的連接，連接中可以采用低熔點(diǎn)或活性強(qiáng)的中間金屬，也可以不采用中間金屬而直接連接，接頭的剪切強(qiáng)度在20～50 MPa之間。

（3）摩擦焊

轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和軸向力共同作用在陶瓷與金屬的連接表面，因摩擦生成一定的熱量，使連接表面達(dá)到塑性狀態(tài)后停止作用，并施加較大的頂鍛力，將陶瓷與金屬連接在一起。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，可在幾秒內(nèi)完成連接。缺點(diǎn)是連接件為圓棒或管件，否則不易轉(zhuǎn)動(dòng)。目前，采用該方法已實(shí)現(xiàn)了陶瓷與鋁合金的連接[38]。

3 陶瓷與金屬的連接方法的數(shù)值模擬

陶瓷和金屬是熱膨脹系數(shù)差別較大的兩種不同材料，在連接過(guò)程中易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。陶瓷材料以離子鍵和共價(jià)鍵為主，結(jié)合力大，很難依靠自身的塑性變形來(lái)釋放應(yīng)力，界面處形成較大的應(yīng)力集中，使接頭連接強(qiáng)度降低，使用過(guò)程中易發(fā)生斷裂。所以，如何準(zhǔn)確地測(cè)量和計(jì)算殘余應(yīng)力的大小及分布是陶瓷與金屬連接中的一個(gè)重要課題。采用有限元法模擬連接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力和分布，成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[39]。

雷永平[40]采用熱彈塑性有限元方法，對(duì)接頭殘余應(yīng)力的大小和分布進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：仿真值和實(shí)際測(cè)量值的趨勢(shì)基本一致，都是在陶瓷側(cè)的邊緣存在著最大的軸向拉應(yīng)力。

李樹(shù)杰[41]運(yùn)用彈性有限元仿真結(jié)果表明，SiC陶瓷與Ni基高溫合金連接時(shí)產(chǎn)生極大的殘余應(yīng)力，竟達(dá)3300 MPa。進(jìn)一步的研究指出，采用梯度中間層或軟金屬中間層能在一定程度上緩解殘余應(yīng)力及其分布狀態(tài)，使拉應(yīng)力集中區(qū)域移出比較薄弱的陶瓷一側(cè)，有利于連接強(qiáng)度的提高。

4 結(jié)論

陶瓷與金屬的連接方法，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果顯示已解決了可連接性的問(wèn)題，但連接接頭的強(qiáng)度及耐熱性與使用要求相比仍有較大的差距。從目前的文獻(xiàn)資料及實(shí)際應(yīng)用來(lái)分析，能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷與金屬連接的方法主要集中在釬焊和擴(kuò)散連接，應(yīng)用范圍也最廣。隨著理論研究的深入，及其與傳統(tǒng)工藝的結(jié)合，出現(xiàn)了（部分）瞬間液相連接、熔化焊、SHS技術(shù)等都具有很好發(fā)展前景的連接方法，為擴(kuò)展陶瓷與金屬的連接范圍提供了新的思路。綜上所述，盡管陶瓷與金屬的連接方法較多，每種方法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，甚至有些方法還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，一時(shí)還難以實(shí)用化，但是隨著連接技術(shù)和模擬分析技術(shù)的發(fā)展，陶瓷與金屬的連接必將得以完善和發(fā)展。

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