特種陶瓷材料雖然具有優異的絕緣(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雜的結構件。金屬材料具有優良的室溫強度、韌性、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系。使用連接技術將兩種材料可靠的結合起來，就可以充分利用各自的優良性能，制造出滿足要求的復雜構件。

貼片式陶瓷氣體放電三極管-- 電源保護、信號保護等

一、陶瓷與金屬連接的特點與難點

但由于陶瓷材料與金屬材料化學鍵結構根本不同，加上陶瓷本身特殊的物理化學性能，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。

其主要體現在如下兩個問題，其一：陶瓷材料主要由離子鍵和共價鍵組成，金屬材料則主要是由金屬鍵構成，二者幾乎不浸潤，因此需要考慮陶瓷與金屬材料的潤濕性問題，其二：兩者的線膨脹系數一般相差較大，當采用熱封或者機械連接時，陶瓷與金屬的接頭處會有較大的應力殘留，削弱接頭的力學性能甚至使接頭受到破壞開裂，因此需考慮結頭處的熱應力緩解問題。

二、陶瓷與金屬的連接方法

隨著陶瓷材料的發展，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陶瓷材料的應用范圍，下文將為大家簡單介紹一些的陶瓷與金屬的連接技術。

1、釬焊加工

釬焊就是用熔點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，高于釬料熔點溫度，利用融化的釬料來潤濕母材、填充焊縫，實現被焊材料相互連接。

在陶瓷與金屬的釬焊連接中，釬料的在陶瓷上良好的潤濕性是實現有效連接的前提。根據潤濕性的不同，陶瓷與金屬的釬焊可分為兩類：一類是先對陶瓷表面進行預金屬化處理，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，來增加陶瓷與金屬的潤濕性，從而達到焊接目的，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，但這些元素的熔點相對較高，與陶瓷材料的化學反應性差，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、固相擴散連接

固相擴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：兩個同種或異種材質在高溫及一定壓力下緊密接觸，表面發生塑性變形，原子間實現相互擴散，形成良好的接頭。

該工藝的優點是接頭處質量穩定，連接強度高，可焊接較大截面的接頭，一次可焊多個接頭，效率較高，可增加中間層，對陶瓷材料無需表面金屬化。但該法工藝過程復雜，可滿足高溫和耐蝕條件下的應用要求。對連接表面狀態和連接設備要求高。

鋁合金與氧化鋁陶瓷真空擴散焊復合板

3、過渡液相擴散連接

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

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界面反應在連接區形成局部液相合金，在連接區形成局部液態合金，再通過其與陶瓷的界面反應以及中間核心金屬之間長時間的擴散，使液相區等溫凝固和固相成分均勻化。

4、反應成形連接

反應成形連接方法是從SiC陶瓷成型技術中發展出來的，目前在連接SiC陶瓷有著廣泛的應用。其優點是克服了活性釬焊和固相擴散焊接時，陶瓷與金屬熱應力大問題。

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合金放到接頭區域，加熱到1300℃左右范圍內，保溫10-15min，Si或Si合金與碳反應形成SiC及其他含量可控的Si和其他相，接頭的厚度可以通過調整含碳量及夾緊力來控制。

我國自主研制出直徑4.03米的單體碳化硅反射鏡坯

圖片來源新華網

備注：現代大型光學望遠鏡系統均采用反射式結構，最核心的部件是反射鏡，且反射鏡的口徑越大，望遠鏡的分辨本領和聚光能力越強。碳化硅是國內外所研究的空間光學遙感儀器中的光學主反射鏡體材料的首選材料。隨著航天遙感工程的飛速發展，對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，才能實現更大尺寸的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、爆炸合成技術，就是利用中間層自身放熱的化學反應來推動反應的進行，最終依靠反應生成的產物來將陶瓷和金屬連接在一起。自蔓延高溫合成連接法，設備、工藝簡單，可實現陶瓷與金屬的原位連接。而且中間層可加入第二相粒子、晶須等增強相，來增強連接的強度。

自蔓延高溫合成可用于制備陶瓷內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，配以氮氣篩的冷卻和溫度場調節，誘導改善復合材料材料增強相機基體界面反應，在合適的工藝條件下可獲得良好強度的接頭。

示例：用該法焊接的Al₂O₃陶瓷試樣，激光焊接區細晶粒均勻，在電子顯微鏡下，可以看到晶粒呈片瓦結構，防止了裂紋的產生及擴展，經過100次的反復加熱和冷卻后，試樣的彎曲強度無明顯下降。

激光釬焊是PCD刀具常見連接方法之一

7、粘結劑連接

借助膠粘劑在固體表面所產生的粘合力，將同種或不同種材料牢固地連接在一起。該法工藝簡單，可用于飛機應急修理、炮彈導彈輔助件連接、修復渦輪、修復壓縮機轉子等方面。陶瓷與金屬采用膠接連接，界面作用為物理力、化學鍵。采用有機膠的接頭強度小于100MPa，采用無機膠連接強度小于10MPa。

粘接技術用在修復上，其周期短，工藝簡單，修復效率高，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，用粘接技術連接陶瓷與金屬在動力工程和航空工業中應慎用。

金屬粘接陶瓷用AB膠示例

8、機械連接

陶瓷和金屬的機械連接法主要有栓接和熱套，栓接指用螺栓進行連接，方法簡單，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，但接頭會產生很大的殘余應力，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

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。

2、陶瓷與金屬連接技術的研究進展；河南科技大學；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狀；李卓然，樊建新，馮吉才；哈工大現代焊接生產技術國家重點研究室。

粉體圈 作者：小白