先進(jìn)陶瓷材料的連接.doc

材料連接新技術(shù) 學(xué)院： 班級: 姓名: 先進(jìn)陶瓷材料的連接陶瓷是指以各種金屬的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物為原料，經(jīng)適當(dāng)配料、成形和高溫?zé)Y(jié)等人工合成的無機(jī)非金屬材料。陶瓷具有很多獨特的性能。這類材料一般是由共價鍵、離子鍵和混合鍵結(jié)合而成，鍵合力強，具有很高的彈性模量和硬度。陶瓷材料按其應(yīng)用特性分為功能陶瓷和工程結(jié)構(gòu)陶瓷兩大類。功能結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有電、磁光、聲、熱等功能的陶瓷材料，從性能上分有鐵電、壓電、光電、聲光、磁光、生物等功能陶瓷。工程結(jié)構(gòu)陶瓷強調(diào)材料的力學(xué)性能，以其具有的耐高溫、高強度、超硬度、高絕緣性、高耐磨性、耐腐蝕等性能，在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料。它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點?？捎米鹘Y(jié)構(gòu)材料、刀具材料，由于陶瓷還具有某些特殊的性能，又可作為功能材料。陶瓷材料多相多晶材料，一般由晶相，玻璃相和氣相組成。其顯微結(jié)構(gòu)是由和制造工藝所決定的。晶相是陶瓷材料的主要組成相，是化合物或固溶體。陶瓷中的晶相主要有硅酸鹽，氧化物和非氧化物三種。玻璃相是一種低熔點的非晶態(tài)固相。它的作用是連接晶相，填充晶相間的間隙，提高致密度，降低燒結(jié)溫度，抑制晶粒長大等。玻璃相的組成隨著胚料組成，分散度，燒結(jié)時間以及爐內(nèi)氣氛的不同而變化。玻璃相會降低陶瓷的強度，耐熱耐火性和絕緣性。氣相是指陶瓷孔隙中的氣體。陶瓷的性能受氣孔的含量，形狀，分布等的影響。氣孔會降低陶瓷的強度，增大介電損耗，降低絕緣性，降低致密度，提高絕熱性和抗震性。對功能陶瓷的光，電，磁等性能也會有影響。氧化物陶瓷: 氧化物陶瓷材料的原子結(jié)合以離子鍵為主，存在部分共價鍵，因此具有許多優(yōu)良的性能。大部分氧化物具有很高的熔點，良好的電絕緣性能，特別是具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性，在上程領(lǐng)域已得到了較廣泛的應(yīng)用。例如：氧化鋁陶瓷:三氧化二鋁為主晶相。根據(jù)三氧化二鋁含量和添加劑的不同，有不同系列。如根據(jù)三氧化二鋁含量不同可分為75瓷，85瓷， 99瓷等；根據(jù)其主晶相的不同可分為莫來石瓷、剛玉-莫來瓷和剛玉瓷；根據(jù)添加劑的不同又分為鉻剛玉、鈦剛玉等。氮化物陶瓷：氮化物包括非金屬和金屬元素氮化物，他們是高熔點物質(zhì)。氮化物陶瓷的種類很多，但都不是天然礦物，而是人工合成的。日前工業(yè)上應(yīng)用較多的氮化物陶瓷有氮化硅(Si3N4)、氮化硼、氮化鋁、氮化鈦等。例如：氮化硅陶瓷:Si3N4陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小，因此具有較好的抗熱震性能;在陶瓷材料中，Si3N4的彎曲強度比較高，硬度也很高，Si3N4陶瓷耐氫氟酸以外的所有無機(jī)酸和某些堿液的腐蝕，高溫氧化時材料表面形成的氧化硅膜可以阻礙進(jìn)一步氧化，抗執(zhí)化溫度達(dá)1800。陶瓷的主要制備工藝過程包括坯料制備、成型和燒結(jié)。其生產(chǎn)工藝過程可簡單地表示為：坯料制備、成型、干燥、燒結(jié)、后處理、成品。制備：通過機(jī)械或物理或化學(xué)方法制備坯料，在制備坯料時，要控制坯料粉的粒度、形狀、純度及脫水脫氣，以及配料比例和混料均勻等質(zhì)量要求。按不同的成型工藝要求，坯料可以是粉料、漿料或可塑泥團(tuán)；成型：將坯料用一定工具或模具制成一定形狀、尺寸、密度和強度的制品坯型（亦稱生坯）；燒結(jié)：生坯經(jīng)初步干燥后，進(jìn)行涂釉燒結(jié)或直接燒結(jié)。高溫?zé)Y(jié)時，陶瓷內(nèi)部會發(fā)生一系列物理化學(xué)變化及相變，如體積減小，密度增加，強度、硬度提高，晶粒發(fā)生相變等，使陶瓷制品達(dá)到所要求的物理性能和力學(xué)性能。燒結(jié)是指成型后的坯體在低于熔點的高溫作用下、通過坯體間顆粒相互粘結(jié)和物質(zhì)傳遞，氣孔排除，體積收縮，強度提高、逐漸變成具有一定的幾何形狀和堅固燒結(jié)體的致密化過程。 工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有耐高溫、高強度、高硬度、耐磨損、抗氧化、抗腐蝕等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、電力電子、能源交通等領(lǐng)域，成為經(jīng)濟(jì)和國防發(fā)展中不可缺少的支撐材料。但是由于陶瓷本身的脆性使其加工性能差，難以制成尺寸大、形狀復(fù)雜的構(gòu)件，從而限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用與發(fā)展。金屬材料具有優(yōu)良的室溫強度、延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，與陶瓷材料在性能上形成了一種明顯的互補關(guān)系。將兩種材料結(jié)合起來，就可以充分利用各自的優(yōu)良性能，制造出滿足要求的復(fù)雜構(gòu)件，不僅能夠降低成本，對陶瓷與金屬材料的應(yīng)用與發(fā)展也具有重要意義。由于陶瓷與金屬在物理、化學(xué)性質(zhì)上的差異，使得二者之間的連接成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題。陶瓷與金屬的連接方法：陶瓷與金屬的連接問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）陶瓷與金屬鍵型不同，難以實現(xiàn)良好的冶金連接；（2）陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)差異大，連接接頭容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，致使接頭強度低；（3）陶瓷表面潤濕性差，連接工藝確定困難。目前，關(guān)于陶瓷與金屬連接方法的研究已有很多，包括機(jī)械連接、粘接連接、釬焊連接、固相擴(kuò)散連接、瞬時液相連接、熔化焊、自蔓延高溫合成連接、摩擦焊、微波連接、超聲連接等方法。 釬焊是最常用的連接陶瓷與金屬的方法之一，它是以熔點比母材低的材料做釬料，加熱到略高于釬料熔點的溫度，利用熔化的液態(tài)釬料潤濕被連接材料表面，從而填充接頭間隙，通過母材與釬料間元素的互擴(kuò)散實現(xiàn)連接。普通金屬釬料在陶瓷表面的潤濕性較差，因而提高釬料在陶瓷表面的潤濕性成為獲得高質(zhì)量釬焊接頭的保證。陶瓷與金屬的釬焊連接可以分為直接釬焊和間接釬焊。直接釬焊又叫活性金屬釬焊法，是在釬料中加入活性元素，通過化學(xué)反應(yīng)在陶瓷表面形成反應(yīng)層，以提高釬料在陶瓷表面的潤濕性。這些活性元素通常包括Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr 等，如Ag-Cu-Ti 釬料就是在Ag-Cu 共晶釬料中加入活性元素Ti，顯著提高了釬料的潤濕能力，是現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛的一種釬料。非晶態(tài)高溫釬料的研制，也大大地增加了陶瓷與金屬釬焊接頭的應(yīng)用范圍間接釬焊是先將陶瓷表面進(jìn)行金屬化，再利用常規(guī)釬料進(jìn)行釬焊連接，因而又稱兩步法釬焊。陶瓷表面與金屬化的目的就是解決釬料在陶瓷表面潤濕性差的問題，電子工業(yè)中常用Mo-Mn 法對陶瓷表面進(jìn)行預(yù)金屬化，Mo 粉中加入適量的Mn 是為了改善金屬鍍層與陶瓷的結(jié)合。此外，還發(fā)展了物理或化學(xué)氣相沉積、熱噴涂法、燒結(jié)金屬粉末法、超聲波法、化學(xué)沉積、等離子注入、真空蒸鍍等一系列金屬化方法； 固相擴(kuò)散連接廣泛應(yīng)用于異種材料的連接，也是連接陶瓷材料常用的方法之一。它是將被連接材料置于真空或惰性氣氛中，使其在高溫和壓力作用下局部發(fā)生塑性變形，通過原子間的互擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)形成反應(yīng)層，實現(xiàn)可靠連接。固相擴(kuò)散連接適用于各種陶瓷與金屬的連接，相對于釬焊連接，其具有連接強度高，接頭質(zhì)量穩(wěn)定、耐腐蝕性能好，可實現(xiàn)大面積連接，且接頭不存在低熔點釬料金屬或合金，能夠獲得耐高溫接頭等優(yōu)點。從連接方式來看，固相擴(kuò)散連接可分為直接擴(kuò)散連接和間接擴(kuò)散連接兩種。直接擴(kuò)散連接是指直接將陶瓷與金屬進(jìn)行連接，而間接擴(kuò)散連接是通過中間層的過渡作用將陶瓷與