陶瓷与金属的连接技术
陶瓷_金属的连接技术
工艺材料本文2002202209收到,王申和谭惠民分别系北京理工大学讲师及教授;李淑华系军械工程学院副教授陶瓷2金属的连接技术王 申 李淑华 谭惠民 摘 要 介绍了陶瓷与金属连接的几种方法的机理及特点,重点讨论了对未来动力工程和先进发动机有重要意义的陶瓷与金属纳米复合粘接剂连接、钎焊连接、部分瞬间液相连接及自蔓延高温合成(SHS )连接。
主题词 陶瓷 金属 连接 粘合剂 焊接近年来,随着陶瓷材料的大规模研究开发,陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的连接技术也越来越引起人们的关注[1]。
实现陶瓷与金属的有效连接可进一步扩大陶瓷的应用范围,尤其在航空航天领域,如飞行器及导弹关键部件的连接,但由于陶瓷和金属是两类性质不同的材料,相互结合时在界面上存在着化学及物理性能的差异,特别是化学键差异较大,采用常规的焊接方法不能实现有效连接[2];因此,陶瓷2金属的连接成为近几年来异种材料连接研究的重点[3]。
为探讨陶瓷与金属的连接机理,本文围绕陶瓷与金属的连接介绍几种主要方法及其性能。
1 粘合剂粘接连接粘接具有固化速度快、使用温度范围宽、抗老化性能好等特点,被用于飞机应急修理、炮射导弹辅助件连接、修复涡轮、修复压气机转子等方面。
澳大利亚和美国自70年代以来就采用复合材料补片对损伤的飞机结构进行胶接修理,目前已成功地在多种飞机上得到了应用[4]。
国内,胶接技术的应用也比较广泛,其中在导弹发动机部位四周对称地粘上四块加强瓣,既保护了发动机壳体,又提高了导弹发射时的承载能力。
但这种技术要求胶粘剂可以室温固化、粘接强度高,既要耐冲击力,又要使加强瓣在导弹出炮口时便于分离。
文献[6]认为橡胶型的胶粘剂虽具有优良的耐冲击力,但抗剪切强度不高,胶层破坏时的变形能力大,有可能造成炮射导弹上粘接的四块加强瓣不能同时分离的危险。
因此,选取胺类固化剂加入不同的增韧剂,研究出在通用的环氧树脂中加入室温固化剂和两种液体橡胶共同增韧的配方,解决了炮射导弹上粘接加强瓣问题。
【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。
简述金瓷结合的机制
简述金瓷结合的机制金瓷结合是一种常见的金属陶瓷结合方法，广泛应用于工程领域。
其机制包括物理机制和化学机制两个方面。
物理机制：金瓷结合的物理机制主要是通过金属的熔化渗透和冷凝，将金属和陶瓷牢固地结合在一起。
具体过程如下：1.表面处理：首先，在陶瓷表面进行去污、喷砂或电化学抛光等处理，以提高其表面的粗糙度和活性，增加与金属的接触面积。
2.金属涂敷：将金属层涂敷在陶瓷表面，常用的金属包括钛、铝、铜、镍等。
金属涂敷可以通过电化学、物理气相沉积、热蒸发等方法来实现。
3.加热烧结：将涂敷有金属层的陶瓷进行高温加热处理。
在加热过程中，金属层熔化并渗透到陶瓷内部，与陶瓷形成金属-陶瓷界面。
4.冷凝固化：金属在陶瓷内部冷却凝固后，形成金属颗粒和陶瓷颗粒之间的金属-陶瓷界面，实现金属与陶瓷的结合。
化学机制：金瓷结合的化学机制主要是通过金属与陶瓷之间的化学反应，形成金属-陶瓷界面。
具体机制如下：1.化学反应：金属表面的原子或离子与陶瓷表面的原子或离子发生化学反应，形成新的化合物或溶解析出的物质，从而改变金属与陶瓷的界面性质。
2.扩散：在加热过程中，金属和陶瓷之间发生原子扩散，使化合物的生成面积扩大，增强金属与陶瓷的结合强度。
3.金属-陶瓷界面的形成：在化学反应和扩散的作用下，金属和陶瓷之间形成均匀的界面，界面上有金属的形成区、反应区和扩散区，形成金属颗粒和陶瓷颗粒之间的结合。
综上所述，金瓷结合的机制包括物理机制和化学机制两个方面。
物理机制主要是通过金属的熔化渗透和冷凝，将金属和陶瓷结合在一起；而化学机制则是通过金属和陶瓷之间的化学反应和原子扩散，形成金属-陶瓷界面。
这种结合机制使金属和陶瓷之间形成牢固的结合，提高了材料的强度和耐磨性，广泛应用于工程领域。
陶瓷与金属钎焊的方法、钎料和工艺
陶瓷钎焊陶瓷与金属的连接是20世纪30年代发展起来的技术,最早用于制造真空电子器件,后来逐步扩展应用到半导体、集成电路、电光源、高能物理、宇航、化工、冶金、仪器与机械制造等工业领域。
陶瓷与金属的连接方法比较多,如钎焊、扩散焊、熔焊及氧化物玻璃焊料连接法等,其中钎焊法是获得高强度陶瓷/金属接头的主要方法之一。
钎焊法又分为金属化工艺法和活性钎料法。
我国于50年代末才开始研究陶瓷—金属连接技术,60年代中便掌握了金属化工艺法(活化Mo-Mn法)和活性钎焊法,推动了陶瓷/金属钎焊用材料及其钎焊工艺的发展。
常用的金属和陶瓷钎焊方法常用的钎焊方法有陶瓷表面金属化法和活性金属法金属和陶瓷钎焊工艺陶瓷与被连接金属的热膨胀系数相差悬殊，导致钎焊后使接头内产生较高的残余应力, 而且局部地方还存在应力集中现象,极易造成陶瓷开裂。
为降低残余应力, 必须采用一些特殊的钎焊工艺路线。
①合理选择连接匹配材料；②利用金属件的弹性变形减小应力;③避免应力集中；④尽量选用屈服点低, 塑性好的钎料；⑤合理控制钎焊温度和时间；⑥采用中间弹性过渡层。
其中, 采用中间弹性过渡层的方法是研究和应用最多的方法之一, 采用中间弹性过渡层对降低残余应力的作用较大。
该方法采用陶瓷/ 钎料/ 中间过渡层/ 钎料/ 金属的装配形式进行钎焊, E 和σs 减小, 接头强度越高, 这说明较“软”的中间层能够有效地释放应力, 改善接头强度。
中间过渡层的热膨胀系数与Si3N4 接近固然有好处, 但如E 和σs 很高(如Mo 和W) , 不能缓和应力, 也就不能起到好的作用。
因此, 可以认为E 和σs 是选择中间过渡层的主要着眼点。
中间过渡层的选择应尽量满足下列条件: ①选择 E 和σs 较小的材料; ②中间过渡层与被连接材料的热膨胀系数差别要小; ③充分考虑接头的工作条件。
采用弹性过渡层的陶瓷连接方法的缺点是接头强度不高, 原因是有效钎接面积小。
但这种低应力或无应力接头具有良好的使用性能, 其优点是在热载荷下产生较低的热应力, 接头耐热疲劳, 抗热冲击性能好。
金瓷结合力的类型及各占比例
金瓷结合力的类型及各占比例金瓷结合力是指在陶瓷工艺中，将金属与陶瓷材料结合形成一种强固的结合力，用于增强陶瓷材料的性能。
金属与陶瓷材料的结合力通常可分为机械结合力、化学结合力和物理结合力三类。
1. 机械结合力机械结合力是指金属与陶瓷材料之间通过物理形状的相互锁合而形成的结合力。
在金瓷修复中，通常使用金属栓和陶瓷间的机械结合力来增强修复体的稳定性和牢固性。
机械结合力主要包括以下几种形式：- 滴铸法：将金属熔液直接倒入模具中，使得金属在冷却过程中填满陶瓷材料的凹凸表面，形成锁合效果。
- 雷射熔焊：通过激光焊接技术将金属与陶瓷材料熔融并形成结合。
- 压力结合：将金属和陶瓷材料通过压力结合在一起，利用金属的变形性和陶瓷的压致变形来增加结合力。
- 粘结剂：使用特殊的粘结剂将金属与陶瓷材料粘合在一起，形成结合力。
2. 化学结合力化学结合力是指金属与陶瓷材料之间通过化学反应而形成的结合力。
在金属与陶瓷材料的结合过程中，常常需要使用一些中间层或介质来促进金属和陶瓷材料之间的化学反应，从而增强结合力。
常见的化学结合力方式有：- 金属氧化层：通过金属表面的氧化反应形成氧化层，可以与陶瓷材料形成牢固的化学结合。
- 化学溶胶法：使用在溶剂中悬浮的化学组分，通过浸渍和干燥过程，形成陶瓷涂层，增强结合力。
- 锡焊：使用锡熔液，使得金属与陶瓷材料之间形成结合。
锡和一些金属氧化物之间具有良好的结合性质，可以促进结合。
- 化学键结合：通过金属和陶瓷材料表面化学键的形成，实现金属与陶瓷材料的化学结合。
3. 物理结合力物理结合力是指金属与陶瓷材料之间通过相互作用力而形成的结合力。
物理结合力通常不需要使用化学反应或者机械锁合，而是通过一些物理性质的作用来实现结合。
常见的物理结合力方式有：- 熔融结合：通过加热使得金属和陶瓷材料共熔，并通过冷却形成结合。
- 烧结结合：利用金属和陶瓷材料的烧结性质，通过烧结过程使得两者结合。
- 表面张力：利用金属和陶瓷材料的表面张力，减小界面上的能量差异，增加结合。
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。
陶瓷与金属焊接的技术
一，概述陶瓷与金属的焊接中的陶瓷基本上指的是人工将各种金属、氧、氮、碳等合成的新型陶瓷。
其具有高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、超硬度等特性，而得到广泛应用;常用的有氧化铝、氮化硅、氧化错陶瓷等。
二，陶瓷与金属焊接的难点1,陶瓷的线膨胀系数小，而金属的线膨胀系数相对很大，导致接易开裂。
一般要很好处理金属中间层的热应力问题。
2,陶瓷本身的热导率低，耐热冲击能力弱。
焊接时尽可能减小焊接部位及周围的温度梯度，焊后控制冷却速度。
3,大部分陶瓷导电性差，甚至不导电，很难用电焊的方法。
为此需采取特殊的工艺措施。
4,由于陶瓷材料具有稳定的电子配位，使得金属与陶瓷连接不太可能。
需对陶瓷金属化处理或进行活性钎料钎焊。
5,由于陶瓷材料多为共价晶体，不易产生变形，经常发生脆性断裂。
目前大多利用中间层降低焊接温度，间接扩散法进行焊接。
6,陶瓷与金属焊接的结构设计与普通焊接有所区别，通常分为平封结构、套封结构、针封结构和对封结构，其中套封结构效果最好，这些接头结构制作要求都很高。
三，陶瓷与金属焊接的通用工艺1,清洗:金属和钎料的表面必须清洗干净，陶瓷常用洗净剂加超声清洗。
2,涂膏:膏剂大多由纯金属粉末和适当的金属氧化物粉末组成，颗粒度大都在l~5um之间，用有机粘结剂调制成具有一定粘度的膏剂。
然后用粉刷工具将膏剂均匀涂在陶瓷待金属化表面上，涂层厚度一般为30~60un‰3,金属化:将涂好膏剂伪陶瓷件送入氢炉中，在1300~1500°C的温度下保温Ih04,镀银:为了更好的钎料润湿，在金属化层上再电镀一层厚约5um的银层。
当钎焊温度低于IoOerC时，则电镀层还需在100OC氢炉中预烧结15~20min05,装架:把处理好的金属件和陶瓷件用不锈钢、石墨、陶瓷模具装配成整体，并在接缝处装上钎科;在整个操作过程中待焊接件应保持清洁，不得用裸手触摸。
6,钎焊:在通有氨气的炉中或通有氢气的炉中或真空炉中进行钎焊,其温度选择，升温速度选择等要根据所使用的钎料特性决定，特别注意的是降温速度不得过快，以防止陶觉件由于温度应力而开裂。
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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。
将氧化铝陶瓷与金属连接在一起是一个具有挑战性的任务，因为两者之间存在明显的热胀冷缩差异。
4.1 焊锡连接
焊锡连接是将氧化铝陶瓷与金属连接的一种常见方法。
在焊锡连接过程中，通过在氧化铝陶瓷和金属表面涂覆焊锡，并利用焊接工艺将两者连接起来。
4.1.1 优点
•焊锡连接简单易行。
•可以实现可靠的连接。
•焊接区域小，对周围区域影响小。
4.1.2 缺点
•焊锡连接的强度受到焊锡本身性能的限制。
•焊接温度较高，容易导致氧化铝陶瓷热胀冷缩不均匀而引起开裂。
4.2 金属化处理
金属化处理是将氧化铝陶瓷表面涂覆一层金属材料，然后通过焊接等方法将其与金属连接。
金属化处理可以提高氧化铝陶瓷与金属之间的结合强度和稳定性。
4.2.1 优点
•金属化处理可以提高氧化铝陶瓷与金属之间的结合强度。
•可以实现可靠的连接。
•可以适应不同材料之间的线性膨胀系数差异。
4.2.2 缺点
•金属化处理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。
•需要对金属化层进行保护，以防止氧化和腐蚀。
5. 结论
陶瓷与金属的连接技术是一个具有挑战性的任务。
黏结剂连接、焊接连接以及氧化铝陶瓷与金属的特定连接技术都可以实现陶瓷与金属之间的有效连接。
选择适当的连接方法需要综合考虑材料性能、工程需求和制造成本等因素。
随着科技的不断发展，我们相信将会出现更多创新的陶瓷与金属连接技术，满足不同领域对于材料连接强度、稳定性和可靠性的要求。