趙大地 趙玲玲 白巖巖 喬藝 張焯寓

摘 要：分析無(wú)機(jī)非金屬材料和金屬材料連接過(guò)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(jiàn)的無(wú)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(guò)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(shì)在真空領(lǐng)域的應(yīng)用狀況良好。無(wú)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。

關(guān)鍵詞：無(wú)機(jī)非金屬材料;金屬材料;連接

一、玻璃—金屬封接工藝

玻璃和金屬材料的封接工藝對(duì)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(guò)程中需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題是兩種化學(xué)材料的不相容和熱應(yīng)力的問(wèn)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。

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(rùn)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(duì)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(rùn)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(kāi)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。

二、陶瓷—金屬封接工藝

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(duì)陶瓷材料的表面實(shí)施固定操作來(lái)拉近兩種材料的性質(zhì)相似性，例如，通過(guò)涂膏方式、燒結(jié)方式、電鍍方式等，經(jīng)過(guò)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(lái)的研究顯示，很多研究將關(guān)注點(diǎn)放在無(wú)機(jī)非金屬材料和金屬材料的連接上，在該過(guò)程中的連接問(wèn)題可能會(huì)受到化學(xué)不相容或者熱應(yīng)力問(wèn)題的阻礙。就目前來(lái)看，很多工廠針對(duì)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。

無(wú)機(jī)非金屬材料和金屬材料在進(jìn)行金屬化操作的過(guò)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(guó)內(nèi)研究學(xué)者針對(duì)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?jī)?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(guò)程中呈現(xiàn)出強(qiáng)度不集中的現(xiàn)象。

三、陶瓷—金屬活性釬焊

陶瓷-金屬活性釬焊的連接主要是通過(guò)活性元素的使用來(lái)完成陶瓷反應(yīng)連接的過(guò)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(guò)程可知，在傳統(tǒng)釬焊方法的指引下，利用活性成分來(lái)增加釬料對(duì)不同物質(zhì)的親和能力，例如，常見(jiàn)的活性成分包含氧化物、硅酸鹽等。

四、陶瓷—金屬過(guò)渡液相擴(kuò)散焊

陶瓷-金屬的活性釬焊工藝能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)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(guò)程會(huì)出現(xiàn)接頭受到高溫高應(yīng)力無(wú)法適應(yīng)的狀況，原因在于活性釬焊過(guò)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。

陶瓷和金屬材料之間擴(kuò)散焊進(jìn)行的過(guò)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。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)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(duì)玻璃實(shí)施預(yù)氧化，提升材料的濕潤(rùn)度，從而使用Kovar 合金等來(lái)拉近金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料的熱膨脹系數(shù)，降低二者連接過(guò)程的熱應(yīng)力問(wèn)題。其次，陶瓷材料和金屬材料的連接需要對(duì)陶瓷進(jìn)行二次加工，對(duì)其實(shí)施涂膏、燒結(jié)、電鍍等過(guò)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(guò)程需要使用活性元素來(lái)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(guò)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?？梢?jiàn)無(wú)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(shì)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(lái)適當(dāng)選擇連接方式。

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