無機非金屬材料與金屬材料連接的研究概述

趙大地 趙玲玲 白巖巖 喬藝 張焯寓

摘 要：分析無機非金屬材料和金屬材料連接過程中遇到的主要難題可知，其中主要阻礙是兩種材料的物理化學性不相容，同時還受到連接熱應力的阻礙。常見的無機非金屬材料包含玻璃和陶瓷等，陶瓷屬于絕緣體的一種，在其和玻璃連接的過程中，由于玻璃材料具有良好的透光性，容易加工，其能夠轉換成不同的形狀等優勢在真空領域的應用狀況良好。無機非金屬材料和金屬材料之間連接的形式很多，例如，玻璃和金屬材料的封接、陶瓷和金屬材料的封接、陶瓷和金屬材料的活性釬焊、陶瓷和金屬材料的瞬間液相擴散焊、陶瓷和金屬材料的熔釬焊等，下文將做詳細介紹。

關鍵詞：無機非金屬材料;金屬材料;連接

一、玻璃—金屬封接工藝

玻璃和金屬材料的封接工藝對金屬表面實施預氧化操作，在達到預氧化標準之后能夠實現二者的連接，分析Kovar合金的性質可知，其熱膨脹系數十分接近于玻璃，能夠顯著降低兩種材料的連接熱應力阻礙。玻璃-金屬封接工藝結合過程中需要解決的重點問題是兩種化學材料的不相容和熱應力的問題，玻璃是典型的非金屬材料，其內部結構是共價鍵連接結構，金屬材料的結合方式是電子云，因此阻礙了二者的結合。

玻璃和金屬的熱膨脹系數差距很大，即使兩種物質能夠在潤濕的條件下連接，也會在冷卻的時候受到應力影響，可能會導致玻璃發生炸裂。為了解決玻璃材料和金屬材料兩種不同物質的物理化學性質不相容的狀況，需要首先對兩種材料的性質進行改變，由此實現熔融玻璃和金屬的潤濕鋪展。為了解決玻璃材料和金屬材料之間的封接應力難題，研究學者將研究重點放在兩種材料的熱膨脹系數商，開始尋找熱膨脹系數接近的金屬材料和玻璃材料，例如，常使用的Fe-Co-Ni系列膨脹合金和封接玻璃。

二、陶瓷—金屬封接工藝

陶瓷和金屬材料連接使用的封接工藝其連接原理主要是對陶瓷材料的表面實施固定操作來拉近兩種材料的性質相似性，例如，通過涂膏方式、燒結方式、電鍍方式等，經過以上操作的實施，能夠在陶瓷表面形成一種十分相近于金屬材料的金屬化層，提升二者連接的緊密性，由此才能實現二者的融合，保證陶瓷表面達到能夠和金屬材料釬焊連接的要求。根據近年來的研究顯示，很多研究將關注點放在無機非金屬材料和金屬材料的連接上，在該過程中的連接問題可能會受到化學不相容或者熱應力問題的阻礙。就目前來看，很多工廠針對用陶瓷和金屬材料之間的連接使用燒結金屬粉末法。分析陶瓷-金屬封接工藝的重要環節可知，陶瓷表面金屬化層的質量才是重點，決定了二者的連接質量。

無機非金屬材料和金屬材料在進行金屬化操作的過程中，其中的Mo顆粒會發生狀態的變化，從原先的狀態變成骨架結構，其中金屬粉中的玻璃能夠填滿整個骨架結構，不留空隙，填充完整。同時會將其和95%的陶瓷玻璃相連接在一起，利用毛細作用將其放入到陶瓷材料之中，由此能夠拉近兩種材料的屬性，形成兩者之間強度較高、十分細密的金屬化層。當其中玻璃相的含量偏高的時候，網絡骨架結構中會出現很多內閉合的氣孔，國內研究學者針對以上內容的研究和分析焦點都在研究陶瓷表面的金屬化分析上，重點研究內容是注重無機非金屬材料金屬化強度的提升。由于受到制作工藝局限性的影響，陶瓷會出現表面或者內部缺陷的狀況，導致在實現金屬和陶瓷連接過程中呈現出強度不集中的現象。

三、陶瓷—金屬活性釬焊

陶瓷-金屬活性釬焊的連接主要是通過活性元素的使用來完成陶瓷反應連接的過程，該種連接方式能夠顯著降低連接工藝的復雜程度，分析陶瓷-金屬活性釬焊工藝的具體過程可知，在傳統釬焊方法的指引下，利用活性成分來增加釬料對不同物質的親和能力，例如，常見的活性成分包含氧化物、硅酸鹽等。

四、陶瓷—金屬過渡液相擴散焊

陶瓷-金屬的活性釬焊工藝能夠實現無機非金屬材料和金屬材料之間的連接，且連接可靠性較強，但該過程會出現接頭受到高溫高應力無法適應的狀況，原因在于活性釬焊過程中連接的溫度很低，如果一味提升釬焊溫度的話，還會造成熱應力的增加。

陶瓷和金屬材料之間擴散焊進行的過程中，其中間層具有強大的復合能力，其整體結構是由一個很薄的熔點很低的金屬鋪置在厚度很高的核心層上面，由于金屬或者合金的熔點偏低，當薄層受熱融化后會流向高熔點的材料，在接觸的時候發生反應，導致溶液消失，因此其中間合金或者中間層的性質主要決定物是高熔點位置的核心材料。

結語

無機非金屬和金屬材料的物理化學性是不相容的，同時還受到材料熱應力的阻礙。首先，玻璃材料和金屬的連接需要對玻璃實施預氧化，提升材料的濕潤度，從而使用Kovar 合金等來拉近金屬材料和無機非金屬材料的熱膨脹系數，降低二者連接過程的熱應力問題。其次，陶瓷材料和金屬材料的連接需要對陶瓷進行二次加工，對其實施涂膏、燒結、電鍍等過程之后，在陶瓷的表面形成一種有利于二者連接的金屬化層，有助于陶瓷和金屬材料的連接，順利完成釬焊。第三，陶瓷-金屬活性釬焊過程需要使用活性元素來幫助連接完成，極大程度降低工藝的復雜程度。第四，陶瓷-金屬過渡液相擴散焊工藝需要中間層的增加，降低釬焊的應力阻礙，提升接頭處的性能和高溫。可見無機非金屬材料和金屬材料的連接中，不同連接工藝都存在優勢和缺陷，因此實際的工業生產活動和科學研究中，需要根據實際需求來適當選擇連接方式。

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