特種陶瓷材料雖然具有優(yōu)異的絕緣(大部分陶瓷)、耐高溫、抗腐蝕性能及耐磨性能，但其脆性大，加工性能很差難以制備出大型或者是形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。金屬材料具有優(yōu)良的室溫強(qiáng)度、韌性、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(bǔ)關(guān)系。使用連接技術(shù)將兩種材料可靠的結(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。

貼片式陶瓷氣體放電三極管-- 電源保護(hù)、信號(hào)保護(hù)等

一、陶瓷與金屬連接的特點(diǎn)與難點(diǎn)

但由于陶瓷材料與金屬材料化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)根本不同，加上陶瓷本身特殊的物理化學(xué)性能，因此無論是與金屬連接還是陶瓷自身的連接都存在不少的難題。

其主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)問題，其一：陶瓷材料主要由離子鍵和共價(jià)鍵組成，金屬材料則主要是由金屬鍵構(gòu)成，二者幾乎不浸潤(rùn)，因此需要考慮陶瓷與金屬材料的潤(rùn)濕性問題，其二：兩者的線膨脹系數(shù)一般相差較大，當(dāng)采用熱封或者機(jī)械連接時(shí)，陶瓷與金屬的接頭處會(huì)有較大的應(yīng)力殘留，削弱接頭的力學(xué)性能甚至使接頭受到破壞開裂，因此需考慮結(jié)頭處的熱應(yīng)力緩解問題。

二、陶瓷與金屬的連接方法

隨著陶瓷材料的發(fā)展，人們也不斷的探索可靠的陶瓷與金屬的連接方法來提高先進(jìn)陶瓷材料的應(yīng)用范圍，下文將為大家簡(jiǎn)單介紹一些的陶瓷與金屬的連接技術(shù)。

1、釬焊加工

釬焊就是用熔點(diǎn)低于被焊材料的金屬或非晶材料做釬料，加熱到低于被焊件母材熔點(diǎn)，高于釬料熔點(diǎn)溫度，利用融化的釬料來潤(rùn)濕母材、填充焊縫，實(shí)現(xiàn)被焊材料相互連接。

在陶瓷與金屬的釬焊連接中，釬料的在陶瓷上良好的潤(rùn)濕性是實(shí)現(xiàn)有效連接的前提。根據(jù)潤(rùn)濕性的不同，陶瓷與金屬的釬焊可分為兩類：一類是先對(duì)陶瓷表面進(jìn)行預(yù)金屬化處理，再用釬料連接，稱為間接焊接。常見的陶瓷材料表面金屬化的處理方法有電鍍法、燒結(jié)金屬粉末法，活性金屬法和氣相沉積法等。

陶瓷與鋼板釬焊接頭裝備圖

另一類是直接采用含有活性金屬元素的釬料，活性元素與陶瓷表面反應(yīng)，來增加陶瓷與金屬的潤(rùn)濕性，從而達(dá)到焊接目的，稱為直接（活性）釬焊。目前常用的釬焊活性金屬主要是過渡族元素，因其最外層電子未被填滿，活性高。將活性金屬加入到常用的Cu基，Ag基，Ni基和Au基等釬料中就可以制成活性釬料。

此外，Zr、Hf、V、Ti、Cr、W等也可以作為活性金屬連接元素，但這些元素的熔點(diǎn)相對(duì)較高，與陶瓷材料的化學(xué)反應(yīng)性差，主要用于非金屬氧化物陶瓷的連接。

不銹鋼與氧化鋁陶瓷釬焊件

2、固相擴(kuò)散連接

固相擴(kuò)散連接是目前研究較多的耐高溫陶瓷/金屬連接方式，其工作原理是：兩個(gè)同種或異種材質(zhì)在高溫及一定壓力下緊密接觸，表面發(fā)生塑性變形，原子間實(shí)現(xiàn)相互擴(kuò)散，形成良好的接頭。

該工藝的優(yōu)點(diǎn)是接頭處質(zhì)量穩(wěn)定，連接強(qiáng)度高，可焊接較大截面的接頭，一次可焊多個(gè)接頭，效率較高，可增加中間層，對(duì)陶瓷材料無需表面金屬化。但該法工藝過程復(fù)雜，可滿足高溫和耐蝕條件下的應(yīng)用要求。對(duì)連接表面狀態(tài)和連接設(shè)備要求高。

鋁合金與氧化鋁陶瓷真空擴(kuò)散焊復(fù)合板

3、過渡液相擴(kuò)散連接

為了降低連接溫度并獲得耐高溫接頭，過渡液相擴(kuò)散連接成為了陶瓷/金屬連接的重要方法，使用過渡液相擴(kuò)散連接可以克服釬焊的高溫強(qiáng)度不佳和擴(kuò)散焊構(gòu)件易變形的缺點(diǎn)。

該法使用不均勻多層中間層，通過連接層B的熔化或者A/B界面反應(yīng)在連接區(qū)形成局部液相合金，在連接區(qū)形成局部液態(tài)合金，再通過其與陶瓷的界面反應(yīng)以及中間核心金屬之間長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散，使液相區(qū)等溫凝固和固相成分均勻化。

4、反應(yīng)成形連接

反應(yīng)成形連接方法是從SiC陶瓷成型技術(shù)中發(fā)展出來的，目前在連接SiC陶瓷有著廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是克服了活性釬焊和固相擴(kuò)散焊接時(shí)，陶瓷與金屬熱應(yīng)力大問題。

連接SiC陶瓷工藝示例：先將含碳的化合物放置在接頭連接處，用卡具將工件卡緊，并在115℃溫度下，干燥15min，將兩個(gè)工件粘和在一起。將做成片狀、膏狀或懸浮液狀Si或含Si合金放到接頭區(qū)域，加熱到1300℃左右范圍內(nèi)，保溫10-15min，Si或Si合金與碳反應(yīng)形成SiC及其他含量可控的Si和其他相，接頭的厚度可以通過調(diào)整含碳量及夾緊力來控制。

我國(guó)自主研制出直徑4.03米的單體碳化硅反射鏡坯

圖片來源新華網(wǎng)

備注：現(xiàn)代大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)均采用反射式結(jié)構(gòu)，最核心的部件是反射鏡，且反射鏡的口徑越大，望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)和聚光能力越強(qiáng)。碳化硅是國(guó)內(nèi)外所研究的空間光學(xué)遙感儀器中的光學(xué)主反射鏡體材料的首選材料。隨著航天遙感工程的飛速發(fā)展，對(duì)主反射鏡體的尺寸有了更高的要求，但就目前而言任何工藝制備更大尺寸的SiC陶瓷鏡體都是非常困難的，采用合適的連接工藝，才能實(shí)現(xiàn)更大尺寸的SiC陶瓷鏡體的制備。

5、自蔓延高溫合成連接

自蔓延高溫合成也稱燃燒合成技術(shù)、爆炸合成技術(shù)，就是利用中間層自身放熱的化學(xué)反應(yīng)來推動(dòng)反應(yīng)的進(jìn)行，最終依靠反應(yīng)生成的產(chǎn)物來將陶瓷和金屬連接在一起。自蔓延高溫合成連接法，設(shè)備、工藝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的原位連接。而且中間層可加入第二相粒子、晶須等增強(qiáng)相，來增強(qiáng)連接的強(qiáng)度。

自蔓延高溫合成可用于制備陶瓷內(nèi)襯耐磨金屬輸送管道

6、激光釬焊

采用高能束激光焊的方法，可快速加熱和冷卻，配以氮?dú)夂Y的冷卻和溫度場(chǎng)調(diào)節(jié)，誘導(dǎo)改善復(fù)合材料材料增強(qiáng)相機(jī)基體界面反應(yīng)，在合適的工藝條件下可獲得良好強(qiáng)度的接頭。

示例：用該法焊接的Al₂O₃陶瓷試樣，激光焊接區(qū)細(xì)晶粒均勻，在電子顯微鏡下，可以看到晶粒呈片瓦結(jié)構(gòu)，防止了裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，經(jīng)過100次的反復(fù)加熱和冷卻后，試樣的彎曲強(qiáng)度無明顯下降。

激光釬焊是PCD刀具常見連接方法之一

7、粘結(jié)劑連接

借助膠粘劑在固體表面所產(chǎn)生的粘合力，將同種或不同種材料牢固地連接在一起。該法工藝簡(jiǎn)單，可用于飛機(jī)應(yīng)急修理、炮彈導(dǎo)彈輔助件連接、修復(fù)渦輪、修復(fù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子等方面。陶瓷與金屬采用膠接連接，界面作用為物理力、化學(xué)鍵。采用有機(jī)膠的接頭強(qiáng)度小于100MPa，采用無機(jī)膠連接強(qiáng)度小于10MPa。

粘接技術(shù)用在修復(fù)上，其周期短，工藝簡(jiǎn)單，修復(fù)效率高，成型性能好，但允許的使用溫度低，一般低于200℃，且大多用于靜載荷和超低靜載荷零件。所以，用粘接技術(shù)連接陶瓷與金屬在動(dòng)力工程和航空工業(yè)中應(yīng)慎用。

金屬粘接陶瓷用AB膠示例

8、機(jī)械連接

陶瓷和金屬的機(jī)械連接法主要有栓接和熱套，栓接指用螺栓進(jìn)行連接，方法簡(jiǎn)單，接頭具有可拆性，但需要在陶瓷上鉆孔，加工難度大，且接頭缺乏氣密性；熱套是利用陶瓷與金屬間的熱脹差異大而獲得具有氣密性接頭的方法，但接頭會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，且為保證有效的氣密性連接工件溫度不能過高。

熱套方法可用于汽車火花塞的生產(chǎn)

參考資料

1、陶瓷與金屬的連接方法；鋼鐵研究總院；肖杰，張貞貞，沈偉，張瑞勇，任衛(wèi)。

2、陶瓷與金屬連接技術(shù)的研究進(jìn)展；河南科技大學(xué)；王新陽，李炎，魏世衷，馬向東。

3、氧化鋁陶瓷與金屬連接的研究現(xiàn)狀；李卓然，樊建新，馮吉才；哈工大現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)研究室。

粉體圈 作者：小白