無機(jī)非金屬材料和金屬材料連接的應(yīng)用推廣

丁希玥

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000）

無機(jī)非金屬材料作為三大材料之一被廣泛用于宇航、建筑、電力學(xué)等領(lǐng)域，但是因?yàn)槠淇伤苄圆睢⒂捕葟?qiáng)、脆度高，無法用于制作大結(jié)構(gòu)主體。金屬材料的強(qiáng)延展性、優(yōu)異的冷加工性能很好的彌補(bǔ)了無機(jī)非金屬材料的弱點(diǎn)。在電真空裝置（白熾燈、熒光燈、電子管等） 普遍要運(yùn)用到玻璃、陶瓷等無機(jī)非金屬材料和金屬材料的連接工藝，所以無機(jī)非金屬材料和金屬材料連接一直是材料連接領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究對(duì)象。然而在無機(jī)非金屬材料和金屬材料連接中卻面臨著的熱應(yīng)力問題和物理化學(xué)相容性的棘手問題。無機(jī)非金屬材料和金屬材料在加熱融化和冷卻凝固中表現(xiàn)出來的速率不一致，形成一定的溫差，可能導(dǎo)致焊接處有大量的殘余熱應(yīng)力，消弱焊接處力學(xué)牢固性。

1 整體連接構(gòu)思

針對(duì)熱應(yīng)力問題，為加強(qiáng)無機(jī)非金屬材料和金屬材料連接成功率和穩(wěn)固性，可在兩者之間加入緩沖材料，緩沖材料要與兩者的開發(fā)線膨脹系數(shù)相適應(yīng)，例如瓷封合金、 玻封合金、 封接玻璃等都可以作為不錯(cuò)的緩沖材料。針對(duì)物理化學(xué)相容性問題，可以通過兩種方式解決，分別是：改變材料表面的特性、利用活性元素反應(yīng)。改變材料表面的特性主要是在金屬材料表層覆蓋一層氧化物薄膜，在玻璃等非金屬材料表面覆蓋一層金屬膜，增強(qiáng)兩者的濕潤性，減小兩者之間的熱脹系數(shù)差。

2 無機(jī)非金屬材料和金屬材料連接應(yīng)用種類

2.1 玻璃與金屬封接

玻璃的主要成分是SiO2，Al2O3，它們都是以共價(jià)鍵的方式存在， 能表現(xiàn)出很穩(wěn)定的電子配位，而金屬材料是卻以電子云的方式存在，物理化學(xué)的不容性導(dǎo)致玻璃無法再金屬材料表面包裹。將金屬在含氧環(huán)境中加熱使其成為氧化鐵化合物（Fe2O3、Fe3O4）[1]，這層氧化薄膜可與熱融化的玻璃相融。解決熱膨脹系數(shù)不同的問題可在兩者之間加入Fe－Co－Ni 系膨脹合金解決問題。值得注意的是有當(dāng)金屬氧化物的摩爾體積與金屬元素的摩爾體積之比略大于1 時(shí)，金屬表面才能形成覆蓋連續(xù)且致密的有效氧化膜[2]。玻璃－金屬封接問題的解決可有效提高太陽能接收器玻璃與調(diào)節(jié)伐封接的牢固性。

2.2 陶瓷與金屬封接

陶瓷－金屬封接方法大多采用在陶瓷表面燒制一層金屬包膜，燒制而成的金屬包膜的質(zhì)量是決定整個(gè)陶瓷－金屬封接接頭的關(guān)鍵部位。 對(duì)熱應(yīng)力的釋放則依賴于定膨脹合金在其中的緩沖作用。對(duì)于焊料的選擇，要具備以下幾種要求：第一，適當(dāng)?shù)娜埸c(diǎn)；第二，良好的填補(bǔ)性能；第三，能與母材料發(fā)生作用，形成有一定強(qiáng)度的冶金；第四，具有穩(wěn)定的組成成分。封接之后可以運(yùn)用化學(xué)儀器來檢驗(yàn)封接質(zhì)量，常用的儀器有萬能實(shí)驗(yàn)測(cè)試機(jī)、氦質(zhì)樸檢測(cè)儀、絕緣電阻檢測(cè)儀、介質(zhì)耐壓測(cè)試儀。這四種儀器分別測(cè)試接口的拉力、密封性、絕緣電阻和介質(zhì)耐壓性。

2.3 陶瓷與金屬活性釬焊

傳統(tǒng)的陶瓷和金屬焊接方法是直接在在釬料中添加Ti，Zr 等活性成分，不僅能增加釬料對(duì)陶瓷中的主要成分的親和力，這種方式一直沿用至今，比較方便快捷，所以對(duì)陶瓷－金屬的新型焊接工藝的研究較少。但是，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)， 陶瓷－金屬活性釬焊能在原有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)制作流程簡(jiǎn)單，制作速度快，效率高等優(yōu)點(diǎn)[3]。目前投入研究的活性元素Ag、Ni、Ti 都表現(xiàn)出了不錯(cuò)的效果。其中活性元素T 在與鐵高溫煅融是生成了化合物TiFe2 和TiMn，能讓較小的碳分子也加快與釬料層的擴(kuò)賽速度，形成一層TiC[3]。利用活性元素釬焊要注意其加熱和保溫時(shí)間，通過多次試驗(yàn)掌握好接頭效果最好的保溫時(shí)間。

2.4 陶瓷和金屬過渡液相擴(kuò)散焊接

雖然說傳統(tǒng)的活性釬焊工藝就以實(shí)現(xiàn)陶瓷和金屬兩者之間的可靠連接，但有一點(diǎn)缺陷，就是接頭部位不能接觸到高溫環(huán)境， 這是因?yàn)榛钚遭F焊的連接出溫度較低，一旦接觸熱環(huán)境就會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的增大。針對(duì)這個(gè)問題，提出的陶瓷－金屬的過渡液相擴(kuò)散焊概念能有效解決此問題。陶瓷－金屬過渡液相擴(kuò)散焊的中間層一般為復(fù)合中間層，這層復(fù)合層包括一層 低熔點(diǎn)金屬或合金和一層較厚的高熔點(diǎn)核心層。 低熔點(diǎn)薄層熔化后擴(kuò)散進(jìn)入高熔點(diǎn)材料，兩層之間能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為了提高材料受熱的均勻度，使用分段加熱的方法，降溫冷卻時(shí)可用循環(huán)水輔助冷卻， 形成的合金或中間層性質(zhì)取決于高熔點(diǎn)核心材料的物理性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散焊接工藝中各種制備要素的最佳參數(shù)，溫度在1160 攝氏度，保溫時(shí)間為30 分鐘，焊接壓力為7.5 兆帕。結(jié)合處光滑緊密，金屬與陶瓷有機(jī)地連為一體。另外，研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下，經(jīng)過表面金屬化處理的陶瓷比沒有經(jīng)歷過表面金屬化處理的陶瓷表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度。

3 結(jié)語

綜上所述，物理化學(xué)性不相容及連接釋放的大量殘余的熱應(yīng)力一直是無機(jī)非金屬材料和金屬材料連接的棘手問題，針對(duì)“玻璃與金屬的封接、陶瓷與金屬封接、陶瓷與金屬的活性釬焊和陶瓷與金屬的過渡液相擴(kuò)散焊”四個(gè)方面著手分析了連接處理的方法，不同的連接工藝有其各自的利與弊，在電真空裝置的實(shí)際研制中要根據(jù)連接材料的實(shí)際情況選擇合適的連接方式，最大限度提高制作電真空裝置的質(zhì)量。