先進陶瓷材料的連接.doc

材料連接新技術(shù) 學院： 班級: 姓名: 先進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)適當配料、成形和高溫燒結(jié)等人工合成的無機非金屬材料。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)域得到廣泛應用。陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫燒結(jié)制成的一類無機非金屬材料。它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點。可用作結(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)異的化學穩(wěn)定性和抗氧化性，在上程領(lǐng)域已得到了較廣泛的應用。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一步氧化，抗執(zhí)化溫度達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：通過機械或物理或化學方法制備坯料，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；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，進行涂釉燒結(jié)或直接燒結(jié)。高溫燒結(jié)時，陶瓷內(nèi)部會發(fā)生一系列物理化學變化及相變，如體積減小，密度增加，強度、硬度提高，晶粒發(fā)生相變等，使陶瓷制品達到所要求的物理性能和力學性能。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，廣泛應用于航空航天、電力電子、能源交通等領(lǐng)域，成為經(jīng)濟和國防發(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、形狀復雜的構(gòu)件，從而限制了其進一步的應用與發(fā)展。金屬材料具有優(yōu)良的室溫強度、延展性、導電性和導熱性，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雜構(gòu)件，不僅能夠降低成本，對陶瓷與金屬材料的應用與發(fā)展也具有重要意義。由于陶瓷與金屬在物理、化學性質(zhì)上的差異，使得二者之間的連接成為國內(nèi)外學者研究的熱點問題。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，包括機械連接、粘接連接、釬焊連接、固相擴散連接、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，通過化學反應在陶瓷表面形成反應層，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用范圍間接釬焊是先將陶瓷表面進行金屬化，再利用常規(guī)釬料進行釬焊連接，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 法對陶瓷表面進行預金屬化，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)展了物理或化學氣相沉積、熱噴涂法、燒結(jié)金屬粉末法、超聲波法、化學沉積、等離子注入、真空蒸鍍等一系列金屬化方法； 固相擴散連接廣泛應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，通過原子間的互擴散或化學反應形成反應層，實現(xiàn)可靠連接。固相擴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，固相擴散連接可分為直接擴散連接和間接擴散連接兩種。直接擴散連接是指直接將陶瓷與金屬進行連接，而間接擴散連接是通過中間層的過渡作用將陶瓷與