浅谈真空炉中陶瓷—金属封接工艺
【精品文章】简述陶瓷材料与金属材料的连接工艺
简述陶瓷材料与金属材料的连接工艺
特种陶瓷材料虽然具有优异的绝缘(大部分陶瓷)、耐高温、抗腐蚀性能及耐磨性能，但其脆性大，加工性能很差难以制备出大型或者是形状复杂的结构件。
金属材料具有优良的室温强度、韧性、导电性和导热性，与陶瓷材料在性能上形成了一种明显的互补关系。
使用连接技术将两种材料可靠的结合起来，就可以充分利用各自的优良性能，制造出满足要求的复杂构件。
贴片式陶瓷气体放电三极管--电源保护、信号保护等
一、陶瓷与金属连接的特点与难点
但由于陶瓷材料与金属材料化学键结构根本不同，加上陶瓷本身特殊的物理化学性能，因此无论是与金属连接还是陶瓷自身的连接都存在不少的难题。
其主要体现在如下两个问题，其一：陶瓷材料主要由离子键和共价键组成，金属材料则主要是由金属键构成，二者几乎不浸润，因此需要考虑陶瓷与金属材料的润湿性问题，其二：两者的线膨胀系数一般相差较大，当采用热封或者机械连接时，陶瓷与金属的接头处会有较大的应力残留，削弱接头的力学性能甚至使接头受到破坏开裂，因此需考虑结头处的热应力缓解问题。
二、陶瓷与金属的连接方法
随着陶瓷材料的发展，人们也不断的探索可靠的陶瓷与金属的连接方法来提高先进陶瓷材料的应用范围，下文将为大家简单介绍一些的陶瓷与金属的连接技术。
陶瓷与金属的焊接技术
陶瓷与金属的焊接技术王仲礼山东济南山东轻工业学院(250100) 摘要 陶瓷与金属的焊接是扩大陶瓷应用领域的关键技术之一。
本文介绍了陶瓷与金属焊接的技术方法及其最新进展,阐述了陶瓷与金属焊接技术的应用前景。
关键词 陶瓷 金属 焊接技术 近几年发展起来的高性能陶瓷具有金属材料无法比拟的耐热、耐腐蚀、耐磨等优良性能,其应用范围日益扩大。
但陶瓷的塑性较差,难以制作复杂结构件,且冷加工困难。
因此,在许多场合下,陶瓷材料不能单独使用,而是同其它类型的材料(如金属材料)组合在一起,以连接体的形式使用,更好地发挥陶瓷作为结构材料及电绝缘材料的优越性能。
为此,提供牢固而可靠的连接技术是十分必要的,这一领域已成为当今世界各国研究的热点课题。
大部分陶瓷性脆质硬,熔点比金属的高,其线膨胀系数与金属的相差较大,使焊后接头中的残余应力很高。
加之陶瓷与金属的相容性差,因此金属与陶瓷的焊接性很差,用电弧焊或电阻焊不能获得满意的焊接接头,粘接和机械连接的应用范围也很小,生产中通常采用钎焊和扩散焊。
随着研究的不断深入,又出现了许多新方法。
1 工业上陶瓷与金属焊接的方法111 钎焊钎焊可分为两步法钎焊和一步法钎焊。
两步法是先在陶瓷表面预金属化,然后再进行钎焊,关键是陶瓷表面的预金属化,目前有如下方法:(1)M n 2M o 法。
将M nO 2与M o 的粉末(颗粒大小约1～2Λm )用粘接剂粘到陶瓷表面,随后在1000～1800℃的氮或氢气氛中烧结,在表面形成玻璃相,并且部分金属氧化物得到还原,产生金属表面层。
然后在预金属化的表面涂一层金属(一般涂镍)。
(2)使用活性金属及难熔金属盐,将金属盐如碳酸银等涂在陶瓷表面,最终还原成金属。
(3)PVD 法。
通常在真空中于陶瓷表面镀上一层钛,再用银铜钎料(如A g 230Cu 210Sn )将镀钛的陶瓷与金属钎焊起来。
这种方法也称为活化基材法(A SP 法)。
(4)CVD 法。
使用化学方法在陶瓷表面沉积一层钛,然后用银铜钎料将镀钛的陶瓷与金属钎焊起来,这也是A SP 法的一种。
陶瓷金属真空钎焊
陶瓷金属真空钎焊陶瓷金属真空钎焊是一种重要的金属连接技术，它可以广泛应用于航空航天、能源、电子、医疗等领域。
本文将从材料选择、工艺流程、设备要求和注意事项等方面介绍陶瓷金属真空钎焊的基本原理和关键技术。
首先，选择合适的材料至关重要。
在陶瓷金属真空钎焊中，陶瓷和金属是主要的材料。
陶瓷一般选用高温稳定、热膨胀系数匹配良好的陶瓷材料，如氧化铝、氮化硅等。
金属材料则需选择与陶瓷具有良好的相容性和蠕变性，如钼、铜、钛等。
其次，根据实际需要确定工艺流程。
陶瓷金属真空钎焊主要包括四个步骤：清洗、贴片、高温加热和冷却。
首先，需要对待连接的陶瓷和金属进行表面清洗，以去除杂质和氧化层。
然后，将金属贴片置于陶瓷表面，注意要保证贴片的平整和紧密贴合。
接下来，将工件放入真空炉中，在高温下进行钎焊，使陶瓷和金属之间发生扩散反应，形成稳定的连接。
最后，在真空环境中冷却工件，并进行进一步的加工和检测。
第三，在设备选型时需考虑以下几个方面。
首先是真空炉的选择，要求具备良好的密封性能和温度控制能力。
其次是加热方式，常用的有电阻加热、电子束加热和激光加热等，需根据具体情况选择。
此外，还需要考虑支撑装置、固定装置和真空度测试仪等辅助设备的选配。
最后，钎焊过程中需要注意以下几点。
首先是表面处理，要保证连接面的平整度和清洁度，以提高连接质量。
其次是温度控制，要根据材料的熔点和热膨胀系数进行合理控制，避免产生应力和变形。
此外，还要注意钎料的选择和涂布方式，以确保钎焊接头有足够的强度和密封性。
综上所述，陶瓷金属真空钎焊是一项复杂而重要的技术，其成功与否关系到连接件的质量和性能。
在实际应用中，我们需要根据具体情况选择合适的材料，合理设计工艺流程，选配适当的设备，并严格控制每个环节，才能保证钎焊连接的可靠性和稳定性。
希望本文对读者在陶瓷金属真空钎焊领域有所启发和指导。
陶瓷与金属的连接技术
陶瓷与金属的连接技术1. 引言陶瓷和金属是两种不同性质的材料，它们在物理、化学和力学特性上存在明显差异。
由于这种差异，将陶瓷与金属进行有效连接是一个具有挑战性的任务。
然而，随着科技的发展和工程需求的增加，陶瓷与金属之间的连接技术变得越来越重要。
本文将介绍几种常见的陶瓷与金属连接技术，并对其优缺点进行探讨。
2. 黏结剂连接黏结剂连接是一种常见且简单的方法，用于将陶瓷与金属材料连接在一起。
该方法通过使用黏合剂或粘合剂来实现连接。
黏结剂可以是有机或无机材料，如环氧树脂、聚酰亚胺等。
2.1 优点•黏结剂连接方法简单易行。
•可以实现大面积接触。
•黏结剂具有一定的柔韧性，可以缓解因材料差异而引起的应力集中问题。
2.2 缺点•黏结剂连接的强度受到黏结剂本身性能的限制。
•黏结剂可能会受到温度、湿度等环境因素的影响而失效。
•黏结剂连接需要进行精确的表面处理和涂覆工作，增加了制造成本和复杂度。
3. 焊接连接焊接是一种常用的金属连接技术，它也可以用于将陶瓷与金属材料连接在一起。
在焊接过程中，通过加热和冷却来实现材料之间的结合。
3.1 激光焊接激光焊接是一种高能量密度焊接方法，适用于陶瓷与金属之间的连接。
激光束可以在非常短的时间内加热材料，从而实现快速焊接。
3.1.1 优点•激光焊接可以实现高强度连接。
•焊接区域小，对周围区域影响小。
•可以实现高精度、无损伤的焊接。
3.1.2 缺点•激光设备昂贵且操作复杂。
•对材料表面质量要求较高。
•需要进行精确的焊接参数控制。
3.2 电子束焊接电子束焊接是一种利用高速电子束加热材料并实现连接的方法。
它可以在真空或低压环境下进行，适用于陶瓷与金属之间的连接。
3.2.1 优点•电子束焊接可以实现高强度连接。
•焊接区域小，对周围区域影响小。
•可以实现高精度、无损伤的焊接。
3.2.2 缺点•电子束设备昂贵且操作复杂。
•对材料表面质量要求较高。
•需要进行精确的焊接参数控制。
4. 氧化铝陶瓷与金属连接技术氧化铝陶瓷是一种常见的工程陶瓷材料，具有优异的耐磨、耐腐蚀和绝缘性能。
陶瓷和金属焊接方法
陶瓷和金属焊接方法：1、烧结金属粉末法原理：在特定的温度和气氛中，先将陶瓷表面进行金属化处理，使得瓷件带有金属性质，再用熔点比母材低的钎料将金属化后的瓷件与金属进行连接。
其核心思路是将陶瓷与金属的封接转变为金属与金属的封接，从而降低工艺难度。
步骤：包括清洗、涂膏、金属化、镀镍、装架和钎焊等步骤。
在金属化过程中，陶瓷表面会涂上一层金属粉末，并在高温下烧结形成涂层。
随后，通过钎焊将金属化的陶瓷与金属连接起来。
注意事项：在烧结金属粉末法工艺中，最大的问题是钎料无法润湿陶瓷表面，这可能会阻碍后续的金属与陶瓷的封接过程。
为了解决这个问题，科学家们尝试了多种方法，如预金属化采取活化Mo-Mn法、二次金属化采取镀Ni处理，并使用Ag72Cu28钎料在800℃左右温度下进行钎焊。
2、陶瓷基板直接覆铜法（DBC）原理：基于Al2O3陶瓷基板的一种金属化技术。
具体过程是将陶瓷基板与无氧铜置于高温和一定的氧分压条件下，使Cu表面氧化生成一层Cu2O共晶液相薄层，润湿Al2O3陶瓷和Cu。
当加热温度高于共晶温度且低于Cu熔化温度时，液相中Cu2O与Al2O3发生化学反应，在铜与陶瓷之间形成一层很薄的过渡层，实现金属与陶瓷的连接。
应用：AlN陶瓷基板敷铜是基于DBC工艺发展起来的，具有更高的导热性和优良的电绝缘性，广泛应用在新型的半导体封装材料上。
3、钎焊连接原理：利用陶瓷/金属母材之间的钎料在高温下熔化，其中的活性组元与陶瓷发生化学反应，形成稳定的反应梯度层，将两种材料结合在一起。
特点：钎焊连接是一种常用的陶瓷与金属连接方法，具有工艺简单、成本低廉等优点。
但需要注意的是，由于陶瓷与金属的热膨胀系数差异较大，钎焊过程中可能会产生较大的热应力，导致焊接接头开裂。
4、固相压力扩散焊原理：在较高温度和一定外力作用下，使陶瓷-金属表面紧密接触，金属母材发生一定的塑性变形，便于原子的扩散，促使两种材料结合在一起。
特点：固相压力扩散焊能够形成高质量的焊接接头，但设备投资较大，且对焊接工艺要求较高。
陶瓷-金属封装技术
陶瓷-金属封装技术
陶瓷-金属封装技术是一种将陶瓷和金属材料结合在一起，用
于封装电子元器件的技术。
该技术的主要目的是提供更好的电热性能、耐热性和机械强度，以满足高功率电子元器件的需求。
陶瓷-金属封装技术的主要步骤包括：
1. 材料准备：选取适合的陶瓷和金属材料，并进行加工和处理，以获得符合要求的形状和性能。
2. 材料组装：将陶瓷和金属部件进行组装，通常采用焊接、钎焊或黏合等方式进行。
3. 密封封装：通过包封或焊接等工艺，将组装好的陶瓷-金属
结构封装起来，形成一个完整的电子元器件。
4. 电性测试：对封装好的元器件进行电性能测试，以确保其符合设计要求。
5. 最终组装：将封装好的陶瓷-金属元器件和其他电子组件进
行最终组装，以完成目标产品。
陶瓷-金属封装技术主要应用于高功率电子元器件，如功率模块、散热器和射频电路等。
其主要优点包括高热传导性能、良好的机械强度、优异的电绝缘性能和耐高温性能。
总的来说，陶瓷-金属封装技术是一种重要的封装技术，能够
满足高功率电子元器件对性能和可靠性的要求，推动了电子技术的发展。
陶瓷与金属的连接方法
陶瓷与金属的连接方法陶瓷与金属的连接方法主要有：粘合剂粘接、机械连接、熔化焊、钎焊、固相扩散连接、自蔓延高温合成连接、瞬时液相连接等连接方法。
将陶瓷与金属连接起来制成复合构件，可充分发挥两种材料的性能优点，对于改善结构件内部应力分布状态、降低制造成本、拓宽陶瓷材料的应用范围具有特别重要的意义。
1、粘合剂粘接：是利用胶粘剂将陶瓷与金属连接在一起，主要应用于飞机的应急修理、炮弹与导弹的辅助件连接、涡轮和压缩机转子的修复等处。
尽管粘接连接可以一定程度缓解陶瓷与金属间的热应力且工艺简单、效率高，但接头强度通常小于100MPa，使用温度一般低于200℃，大多用于静载荷和超低静载荷零件。
2、机械连接：机械连接是一种借助结构设计的连接方法，有螺栓连接和热套连接两种。
机械连接由于方便已经在部分增压转子与金属的连接中应用。
热套连接获得的接头具有一定的气密性，但仅限于低温使用，且这种接头具有较大的残余应力。
3、钎焊连接：钎焊是最常用的连接陶瓷与金属的方法之一，它是以熔点比母材低的材料做钎料，加热到略高于钎料熔点的温度，利用熔化的液态钎料润湿被连接材料表面，从而填充接头间隙，通过母材与钎料间元素的互扩散实现连接。
包括直接钎焊和间接钎焊。
4、固相扩散连接：是将被连接材料置于真空或惰性气氛中，使其在高温和压力作用下局部发生塑性变形，通过原子间的互扩散或化学反应形成反应层，实现可靠连接。
按连接方式，可分为直接扩散连接和间接扩散连接。
固相扩散连接适用于各种陶瓷与金属的连接，相对于钎焊连接，其具有连接强度高，接头质量稳定、耐腐蚀性能好，可实现大面积连接，且接头不存在低熔点钎料金属或合金，能够获得耐高温接头等优点。
5、熔化焊：采用高能束具有加热和冷却速度快的优点，能在陶瓷不熔化的条件下使金属熔化，形成连接。
熔化焊连接陶瓷和金属主要包括激光焊和电子束焊接。
此法能获得高温下稳定的接头，但是需要对被连接材料进行预热和缓冷，而且陶瓷与金属组配相对困难，连接工艺参数难以控制，设备造价昂贵。
陶瓷和金属的连接方法分享篇
陶瓷和金属的连接方法分享篇一· 为什要将陶瓷与金属连接在一起陶瓷材料具有许多传统材料不具备的优点。
陶瓷材料主要有氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化硼、氮化硼等，材料的性能特点主要是硬度高、耐高温、耐磨、大部分材料绝热绝缘性好、比重小于钢铁，主要用于工程机械配套需要耐高温、耐磨的场合，如航天工业高速摩擦件、各种密封件、泵和压缩机的柱塞和缸套、高级轴承等。
但是陶瓷材料脆、不耐冲击、抗拉及抗弯曲较差，而金属材一般有很高的机械强度、韧性好、较能耐高温、导电传热性好，广泛应用于机械工程中关键零部件和一切重工业中的大型构件，在工业生产中有广泛的应用。
陶瓷和金属材料的连接，可以很好地使两种材料的性能得到更好的发挥，如将 CC 与 TiAl 连接起来应用在航空航天领域中的热端部件，如制成火箭发动机喷管构件等，可以大大减轻构件重量，提高火箭发动机推重比。
因而，研究陶瓷和金属两种材料简便、高效、节能的连接方法很有工业应用前景。
二·陶瓷与金属连接特点金属和陶瓷是两类完全不同的材料。
它是把两种材料性能差异很大的零件采用合适的工艺过程连接成为一个整体。
由于陶瓷和金属在物理性质、化学键型、力学性质和微观结构等方面差异很大 , 使用一般的方法是很难按照需求把它们连接到一起的。
陶瓷与金属连接过程中，绝大多数金属与陶瓷存在较大的热失配, 在加热过程中连接陶瓷与金属时 , 由于接头处很容易产生残余应力 , 使接头的力学性能被削弱 ; 熔化的金属很难润湿陶瓷 ; 陶瓷耐热冲击力弱 , 有较低的热导率 , 加热时很容易产生裂纹 , 所以应该控制加热和冷却速度并减小焊接区域的温度梯度。
金属和陶瓷的焊接属于异种材料的焊接，一般需要添加中间层，中间层的使用对焊接接头性能影响很大。
焊接中间层在金属和陶瓷的连接中的主要作用包括： 1 改善母材表面接触，润湿母材； 2 可以抑制夹杂物的形成，促进其破碎或分解；3 改善冶金反应，避免或者减少形成脆性金属间化合物和有害的共晶组织，优化接头显微结构从而提高接头强度；4 可以降低焊接温度、减少扩散焊接时间，从而控制接头应力、提高接头强度；5 减小金属和陶瓷间应力作用，改善因膨胀系数不同造成的变形。
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浅谈真空炉中陶瓷—金属封接工艺
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陶瓷—金属件的封接以往是在具有还原性气氛的氢炉中进行的，随着设备的更新和工艺流程的调整，陶瓷—金属封接要求在真空炉中进行。
为了确定合理的真空炉陶瓷—金属封接工艺，保证封接件的质量，我们对此项工作进行了全面的策划、试验和研究。
通过试验验证工艺中设定的各项工艺参数，并查看升温速率、一次保温、二次保温的温度和时间，降温的速率，充氮的温度等是否为最佳，工艺时间是否为最短，能否满足产品质量和公司扩产的需要。
1 陶瓷—金属封接的特点及质量要求
特点
陶瓷—金属封接是一种特殊的焊接，是使陶瓷制件与金属零件牢固连接的技术。
通常，这种连接还要求具有一定的密封性能。
这种封接与金属之间的钎焊相比，其特点在于能够使熔融的焊料润湿陶瓷金属化层表面，而且一般陶瓷的断裂强度比金属要低很多，导热性差，不能塑性变形。
所以，设计结构、封接工艺、陶瓷金属化的质量等因素是影响封接件质量的关
键因素。
质量要求
质量要求主要有：①机械强度。
通常以封接件的抗拉强度和抗折强度衡量。
②气密性。
对于气密性要求高的电真空器件封接件，常用氦质谱检漏仪检验，用封口的漏气率来衡量气密性的好坏。
③耐热性能，包括耐热冲击性能和耐热烘烤性能。
耐热冲击性能是指在固定的高、低温两个温度之间封接件反复加热、冷却所能承受的冲击次数;耐热烘烤性能是指在某一固定温度下(根据具体应用而定)封接件经受一段较长时间的烘烤的能力。
2 工艺试验方案
采用检验合格的金属化瓷件，根据目前产品不同的封接结构和金属化瓷件外径尺寸将其分为A，B，C，D 四大类进行封接工艺试验：①A 类。
平封、一节瓷件的封接结构，瓷壳外径<110 mm。
②B 类。
平封加夹封瓷环、一节瓷件，瓷壳外径≥110 mm。
③C类。
平封、两节瓷件，瓷壳外径<110 mm。
④D 类。
平封加夹封瓷环、两节瓷件，瓷壳外径≥110 mm。
制定封接试验方案
B 类瓷封件是长线产品，年产量最大，从设计结构分析，封接处的设计应力比其他产品小，为了稳妥
起见，首先确定它为试验产品。
试验时，通过外加测温热偶对炉内多点位置的温度进行测量，监测各点温度趋于一致即可确定升温速率和保温时间。
在整个升温过程中，炉内保持一定的真空度，保证零件不氧化。
降温速率和充氮温度是对封接件应力产生的关键因素，因此，可按照以下4 种降温方案进行封接试验：①焊料熔化后，按一定降温速率降温60 min 后，加热功率降为零，自然降温至较低温度时充氮冷却降温;
②焊料熔化后按一定降温速率降温60 min 后，加热功率降为零，自然降温至较高温度时充氮冷却降温;③焊料熔化后，加热功率降为零，自然降温至较低温度时充氮冷却降温;④焊料熔化后加热功率降为零，自然降温至较高温度时充氮冷却降温。
检测方案
制定检测方案时，应重点考虑以下几个因素：①机械强度。
此检测受到的影响因素较多，其侧重于检测陶瓷金属化的质量，因此要检测金属化层的抗拉强度。
②气密性。
采用灵敏度为3×10-9 Pa·L/S 的氦质谱检漏仪检测。
③耐热烘烤性。
以试品在烘箱中按照陶瓷灭弧室排气烘烤温度及时间后的质量检测为准。
④耐热冲击性。
将试品放入烘箱中，从室温开始，以≤400 ℃/h 的升温速率升温至700 ℃，保温10 min 后
迅速取出，在空气中冷却，然后检查瓷封件有无炸裂，检漏合格后进行第二次热循环。
连续5 次后，如果封接件不炸不漏，则用吸红法检查有无细小裂缝。
3 封接试验
确定升温、保温参数
按设定的升温速率升到770 ℃时，从测温记录看，炉内的温差较大，需要保温使炉内温度趋于一致。
保温初期低温点的升温速率较快，保温50 min 以后低温点的平均升温速率为℃/min，温度在770±3 ℃内，此时，炉温已趋于一致，再保温效果不大，所以一次保温时间确定为50 min，二次保温温度及时间可通过观察镜视焊料熔化状况确定。
用4 种降温方案对B 类瓷封件做封接试验
方案1 的封接工艺时间较长，方案2 和3 的封接工艺时间居中，方案 4 封接工艺时间最短。
热冲击试验
每个方案封接出的瓷封件随机抽取 2 件做热冲击试验，8件样品无炸裂、不漏气、未发现细小裂纹。
敲开样品，断裂面粘瓷良好。
试验分析
焊料熔化后将加热功率直接降为零的瓷封件，虽能满足产品质量要求，但从测温记录看，存在断电初
期降温速率过快、炉内温度严重不均现象，易造成封接处应力，对产品质量有一定的影响。
因此，应在高温区控制匀速降温。
在较高温度下，充氮或在较低温度下充氮对封接件的封接应力影响不大，为了缩短工艺时间，提高生产效率，我们选择在较高的温度下充氮。
对其他3 类瓷封件进行方案1 和2 的试验
A，C，D 类瓷封件热冲击试验后，12 件样品无炸裂、不漏气，未发现细小裂纹，断裂面粘瓷良好，说明较高温度充氮能满足A，C，D 类瓷封件的质量要求。
但是D 类瓷封件装配的灭弧室在后工序高压老炼时中，封处偶尔出现放射状炸裂现象，经过分析其结构特点，由于其热容量大、降温速率快、易产生应力，因此降低了焊料熔化后的降温速率，同时将加热功率降为零的温度降低了50 ℃，调整后，生产中再未出现此类炸裂现象。
4 结束语
以上试验说明，在封接工艺中，按设定的充氮温度对瓷封件的封接应力影响较小，主要是控制高温区域的降温速率，使之均匀降温是减小封接应力的有效措施。
方案2 的封接应力小、工艺时间短，因此，我们按照方案2 确定了真空炉中装配A，B，C 类瓷件
的封接工艺。
适当调整D 类瓷件的封接工艺后，可满足封接质量的要求。
经过一年多的运行，瓷封件的质量稳定，一次成品率达到%以上。
按照试验结果设置的工艺，瓷封件的封接工艺时间可控制在11 h 以内。
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