氧化铝陶瓷与金属连接的研究现状
Al2O3+ZrO2陶瓷与304不锈钢的焊接研究
ｖ ｏ １ ％
密度 ／
（ ｇ ／ ｃ ｍ’ ）
硬度 ／ 弯 曲强度 ／ 热膨胀 系数 ／ 杨 氏模量 ／
ＨＲＡ ～ 。 ａ （ ×Ｉ Ｏ － ￣ ／ ￣ Ｃ） ＧＰ ａ
将制备好 的复合 陶瓷片 用圆片切 割机和磨 床切成规 格为
６ ｎ ｌ ｎ ｌ ×６ ｍ ｌ Ｔ ｌ ×３ ． ５ ｉ ／ ｉ ａ 的焊 接 试 样 ， ｒ 将 试 样 用 石 蜡 或 者 松 香 粘
表 １ 焊料 的物理 性能
裂 纹， 连接强度远远低 于陶瓷材料本 身的强度 。 为 降低 陶瓷材
料 与 金属 焊料 的热 膨胀 系 数差 异 ， 深 圳 大 学 的Ｌ ｉ Ｊ ｕ ｎ ｑ ｉ ｎ ［ ３ 采
用 梯 度 焊 料 焊 接 ＹＳ Ｚ陶 瓷 与 Ｎｉ Ｃ ｒ 合金， 焊 料 中 分 别 含 有 ７ ５ ％、 ５ ０ ％、 ２ ５ ％的ＹＳ Ｚ 陶瓷 ， 使 用 这 种 焊 料 获 得 的 接 头 稳 定 性 较 好 。陶 瓷材 料 难 以被 润 湿 ， 膨胀 系数小 ， 为 了解 决 这 一 问题 ， 常 常在 焊接 的陶 瓷表面 做预 金属化 ， 就 是 在 陶 瓷 表 面 烧 结 一 层 具 有 金 属 性质 的 涂层 ， 如 Ｍｏ — Ｍｎ 、 Ｍｏ — Ｆ ｅ 、 Ｍｏ — Ｔ ｉ 、 Ｗ— Ｆ ｅ 、 １ ． ２ 试验过程
Ｍｏ Ｏ３ ＿ ￣ ｘ ｎ Ｏ ２ ＿ Ｃ ｕ ２ ０［ ４ ］ 等， 实 际上 就是 改变 被焊 接面 的物 理 、 化
学性 能 。
结在 自动抛 光机 的托 盘上 ， 先用Ｂ ４ Ｃ 粉研 磨去掉 磨床加 工留下
的划 痕 ， 然 后再 用Ｗ５ 、 Ｗ３ 、 Ｗ１ 金 刚石研 磨 膏抛 光 ， 最 终 得 到
氧化铝陶瓷金属化技术的研究进展
随着 微 电子技 术 的 迅 速发 展 ， 子 器件 趋 Nhomakorabea于 大 电
１１ 化 学镀 Ｎ－ ． ｉ Ｐ法
功率 、 高密 度 、 多功 能 化 ， 电子 线 路 的 集成 程 度 越 来
越高 ， 电路 工作 时 不 可避 免地 产 生 大 量 热 量 。为 了 防止 元件 因热量 聚集 而损 害 ， 有 与 半 导体 Ｓ 相 匹 具 ｉ 配 的热膨胀 系数 ， 高热 稳定 性 、 化学 稳定 性 和低介 电
条 件见 表 １ 。
表 １ 化 学 镀 镍 的 配 方 及 工 艺 条 件
常数且 价格 便宜 、 产 工 艺成 熟 的 Ａｌ 生 ０。陶瓷 成 为
目前应 用量 最大 的 电子基板 材 料 。
陶瓷用 于 电路 中 ， 必须 首先 对其 金属 化 ， 即在 陶 瓷 表 面敷一层 与 陶瓷粘 结牢 固而又不 易 被熔化 的金
Ｍ Ａ ａ — ａ Ｙｕ ｎ ｙｕ ｎ，Ｗ Ａ ＮＧ — ｉｏ，ＲＥＮ ｏ ｃ ａ Ｄｅ ｍ ａ Ｇａ － ｈ ｏ （ ｐ ｒｍｅ ｔ ｆ ｎ ｏ ｍａ ｉｎ Ｓ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅｌｃｒ ｎ ｃ ｇ ｎ ｅｉｇ，Ｚｈ ｊａ ｇ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ，Ｈａ ｇｚ ｏ １ ０ ７，Ｃ ｉａ Ｄｅ ａ ｔ ｎ Ｉ ｆ ｒ ｔｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅｔｏ ｉｓＥｎ ｉ ｅｒｎ ｏ ｅｉ ｎ ｉｅ ｓｔ ｎ ｈ ｕ３０ ２ ｈｎ ）
Ａｂｓｒ ｃ ： ｃ ｎｔ ｄ ｔａ ｔ Ｒｅ ｅ ｏｍｅ ｔｃ ａ ｎ ｅ ｎ ｔｏ ｌｄ ｖ ｌ ｐｍｅ ｓ ｏ ｌ ｓ ｉ ｎｄ ｉ ｔ ｒ ａ ｉ ｎａ ｅ ｅ ｏ ｎｔ ｆ ａ ｕｍｉ ｅ ａ ｃ ｅ ａ ｌｚ ｔｏｎ ｗ ｅ ｅ ｒ — ｎａ ｃ ｒ ｍｉ ｓ ｍ ｔ ｌｉａ ｉ ｒ ｅ ｖ ｅ ｄ． ｖｅ ａ ｏｍｍ ｏ ｙ ｉ ｗｅ Ｓｅ ｒ ｌ ｃ ｎｌ ｕｓ ｄ ｅ ｍｅ ａ ｌ ａ ｉ ｎ ｅ ｈｎ ｑ ｓ ｗ ｅ ｅ ｎｔｏ ｔ ｌｉ ｔｏ ｔ ｃ ｉ ｕｅ ｒ ｉ ｒ ｄｕｃ ｄ ｚ ｅ ．Ｔｈ ｉ ｌ ｎｃ ｏ ｅ ａ ｌｚ ｔｏｎ ｅ ｎｆｕｅ ｅ ｎ ｍ ｔ ｌｉａ ｉ ｑｕ ｌｔ ａ ｅ ｙ ｔ ｉｍ ｍａ ｅ ｉ ｌ ｈｉｋｎ ｓ ａ ｄ ｔ ｃ ｑｕ ｐ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓ ｎ ｖ ｃ ｍ ｐ ｔ ｒｎｇ ａ ｉｙ ｃ ｓ ｄ ｂ ｈｅ ｆｌ ｔ ｒａ ，ｔ ｃ ｅ ｓ ｎ ｅ ｈｎｉ ｅ ａ ａ ｔ ｒ ｉ ａ ｕｕ ｓ ｕｔｅ ｉ ｗｅ ｅ ｎ — ｒ ａ ａ ｌ ｅ ｙｚ ｄ． Ｋｅ ｒ ：Ａｌ ｍ ｉ ａ ｃ ｒ ｍｉｓ； ｅ ａ ｌｚ ｔｏｎ； ｃ ｍ ｐ ｔ ｒｎｇ ｙ ｗｏ ｄｓ ｕ ｎ ｅ ａ ｃ Ｍ ｔ ｌｉａ ｉ Ｖａ ｕｕ ｓ ｕｔ ｅ ｉ
金属间化合物_Al_2O_3陶瓷基复合材料的研究进展
第18卷第3期2008年6月 粉末冶金工业POWDER METALL URG Y IN D USTR Y Vol.18No.3J une 2008收稿日期:2007-10-17基金项目:江西省自然科学基金资助项目(550015)作者简介:何柏林(1962-),男(汉),河南安阳人,教授,硕士生导师,研究方向:结构可靠性,表面强化,复合材料的研究。
金属间化合物/Al 2O 3陶瓷基复合材料的研究进展何柏林,熊光耀,缪燕平(华东交通大学机电工程学院,江西 南昌 330013)摘 要:Al 2O 3陶瓷的脆性本质极大的限制了其使用范围。
在提高氧化铝陶瓷韧性的研究中,利用金属间化合物作为第二相来增韧氧化铝陶瓷已成为研究热点之一。
本文从金属间化合物的基本性质出发,综述了金属间化合物/Al 2O 3陶瓷基复合材料的最新进展,在此基础上总结了增韧机理,并提出了今后的发展方向。
关键词:金属间化合物;Al 2O 3陶瓷;复合材料;增韧机理中图分类号:G63318;TF12514 文献标识码:A 文章编号:1006-6543(2008)03-0031-05PRO GRESS IN IN TERM ETALL ICS/Al 2O 3CERAM ICS BASED COM POSITESHE Bo 2lin ,XIONG G u ang 2yao ,MIAO Yan 2ping(School of Mechanical &Electrical Engineering ,East China Jiaotong University ,Nanchang 330013,China )Abstract :The brittleness of alumina ceramic material limit s t he application of t he material re 2markably 1U sing intermetallics as t he secondary p hase is o ne of t he hot topics in t he field of toughening Al 2O 3ceramics 1Progress in Intermetallics/Al 2O 3ceramics based compo sites is re 2viewed 1Toughening mechanisms are summarized ,and t he develop ment tendency is also pres 2ented 1K ey w ords :intermetallics ;Al 2O 3Ceramics ;Composites ;toughening mechanism 氧化铝陶瓷具有耐高温、高耐磨、耐腐蚀、抗氧化等一系列的优异性能,目前已广泛用于许多高新技术领域,但是其陶瓷材料的脆性本质在很大程度上限制了它的发展和应用。
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。
氧化铝陶瓷与金属连接的研究现状
Abstract For the developm ent and app lication of alum ina ceram ics, welding of alum ina ceram ics to m etal is one of key technologies. In this article, the recent developments in joining of alum ina ceram ics to m etal are reviewed. The effects of dissim ilar joining techniques on shear strength are discussed.
度为 1 mPa,钎焊过程中不施加压力 。活性钎料与氧 化铝陶瓷之间反应产物的种类不随 Ti添加量的不同 而变化 , 反应产物均为 Ti3 A I和 Ti3 Cu3 O。在 (A g72 Cu28 ) 97 Ti3粉体中添加 A l2 O3陶瓷颗粒或 SiC 陶瓷颗 粒相形成的复合钎料进行 A l2 O3陶瓷与无氧铜的钎 焊 ,发现复合钎料能够润湿氧化铝陶瓷基体 ,由于 Ti 部分消耗于同陶瓷颗粒之间的化学反应而使钎料与 陶瓷基体的连接强度降低 。
8的氧化铝陶瓷进行了焊接并利用多晶陶瓷混合介电常数计算公式计算了l2o3陶瓷中玻璃相的介电损耗值结果表明其远高于al2o3相的证实了晶界损耗大微波能对它进行选择性加热晶界相在微波作用下的熔融流动产生粘连并且晶粒在焊缝处运动和重排致使焊缝处晶粒和晶界分布均匀和基体结构相似这是强度提高的主要原因
氧化铝陶瓷与金属连接的研究现状
图 3 反应层厚度与接头强度的关系曲线 Fig. 3 Relation between thickness of reaction layer
氧化铝陶瓷材料的研究进展
氧化铝陶瓷材料的研究进展自从人类掌握了冶金工艺，就开始了各种金属材料的应用研究，人们不断地发掘着新的金属材料，如今用于各种领域的合金已经非常普遍。
然而，金属材料也有其本身的局限性，如热膨胀系数大、抗氧化性差、重量大等等。
因此，在类似于高温、高压、高强度等严苛环境下的应用中，如冶金、航天、军工等领域，人们就开发了多种氧化铝陶瓷材料作为一种代替金属材料的类型。
氧化铝陶瓷材料是指以氧化铝或其化合物为主体，添加适量的其他原料（如质稳物，碳化物，氮化物等）制成的陶瓷材料。
由于氧化铝陶瓷材料拥有较高的抗氧化性、化学稳定性、热稳定性、机械性能和电性能，因此被广泛应用于陶瓷基复合材料、高温热电工程领域、模具制造、人造腰椎、陶瓷刀具等领域。
高温陶瓷材料是氧化铝陶瓷材料的主要产物之一。
这些材料的热膨胀系数较小，抗高温能力较强，热和电的导热性和绝缘性也很好。
这些理想属性意味着氧化铝陶瓷材料可以被广泛应用于各种极端条件下，如高温轴承、高温热电器件、太阳能电池等。
由于这些应用程序在极端条件下的使用，所以该类陶瓷必须具备极高的品质和可靠性。
氧化铝微细晶晶粒材料也是近年来广泛发展起来的一种氧化铝陶瓷材料。
由于它们具有高度分散的晶粒，所以它们的力学性能、光学性能和电子性能等都比传统氧化铝材料要优越。
在磁盘存储器和微机电系统中，这些材料可以用于制造小型悬臂梁、传感器和电子元器件等微型器件。
在多层陶瓷电容器和激光脉冲反射材料等方面，这些材料也已在市场上拥有了很好的地位。
此外，氧化铝陶瓷材料在模具制造领域也得到了广泛应用。
这些领域的氧化铝陶瓷材料拥有高度精密的密封性能和热稳定性能，而且还具有优异的机械性能和绝缘性能等。
这些特殊性能使得氧化铝陶瓷材料可以用于高精度模具制造领域。
根据相应的研究报告，氧化铝陶瓷材料的模具加工比传统材料更快、更高质量和更节省成本。
除此之外，由于其在模具制造工艺中的高度精密性能，氧化铝陶瓷材料还可以用于切削刀头、陶瓷刀具、化学阀门等高精密领域。
氧化铝陶瓷的发展现状
氧化铝陶瓷的发展现状
氧化铝陶瓷是一种具有强大机械性能、高耐磨性、耐腐蚀性等优
秀特性的先进陶瓷材料，其发展现状也备受人们关注。
目前，氧化铝陶瓷的生产工艺逐渐完善，新的制备方法不断涌现。
传统的制备方法包括球磨、离心压制、注塑成型等，近些年来，还发
展出了模压、挤压成型等高新技术制备工艺，这些新技术的应用使氧
化铝陶瓷的制备效率得到了显著提高。
此外，氧化铝陶瓷的应用领域也不断扩展。
以先进制造业为例，
氧化铝陶瓷在半导体设备、精密机床、模切刀具等领域均有着广泛的
应用。
在医疗行业，人工关节、耳鼻喉科器械正成为氧化铝陶瓷应用
的主力，而在能源领域，氧化铝陶瓷也在燃料电池、太阳能电池板等
方面得到了广泛应用。
随着氧化铝陶瓷的不断发展，其在质量控制、加工工艺、新型应
用等方面也需要持续进行研究和探索。
因此，相关行业应该加强合作，共同推动氧化铝陶瓷的研究进展，促进氧化铝陶瓷在更广泛领域应用
推广，为人们的工作和生活带来更多的便利和实惠。
陶瓷与金属间的焊接技术研究
随着现代科学技术的发展，陶瓷与金属异质材料的复合利用在航空航天、电子信息等领域具有广阔的应用前景。
但由于陶瓷与金属在热膨胀系数、热传导率、界面结合力等方面存在明显差异，直接焊接两种材料存在困难。
为实现陶瓷与金属的可靠连接，开展异种材料间的连接与界面控制技术研究具有重要意义。
陶瓷和金属之间存在显著的化学组成和原子排列结构的差异。
陶瓷主要由共价键和离子键组成，具有脆性断裂特点；而金属主要由金属键组成，可实现塑性变形。
陶瓷氧化铝的化学式为Al2O3，化学计量比为2：3；而金属铝的化学式为Al，不含氧原子，这两种完全不同的化学组成和结构导致陶瓷与金属间原子结合强度存在明显差异，直接焊接时，必须克服这种结构和组成差异，否则会导致连接强度不足。
陶瓷与金属之间在热物理性质上存在明显差异。
与金属相比，陶瓷具有较低的热导率、较小的热膨胀系数以及较慢的热应力释放速率。
具体来说，陶瓷材料的热导率通常在2030W/（m·K）左右，远低于金属材料的50400W/（m·K）；陶瓷的线膨胀系数约为（48）×10-6/°C，也明显低于金属的（1124）×10-6/°C；此外，陶瓷回散时间常为金属材料的10～100倍。
这些特性使陶瓷与金属直接焊接时，界面处会产生大量热应力。
另外，陶瓷与金属在熔点、热容量、密度等参数上也存在显著差异，这增加了选择合适焊接工艺参数的难度[1]。
陶瓷表面具有高度的化学稳定性和惰性，很难与活性金属实现良好的湿润。
陶瓷基体材料SiC的接触角可高达140°，而金属基体NiCrAl的接触角仅为30°左右，两种材料存在巨大的界面自由能差异，这会导致活性金属钎料与陶瓷基体之间的结合力较差。
Shi等研究表明，陶瓷表面存在的氧化硅等氧化物会降低其对钎料的湿润性。
此外，陶瓷表面的粗糙度也会影响其湿润性。
Ra约为1.5μm的陶瓷表面接触角显著高于0.18μm的光滑表面。
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万方数据 万方数据 万方数据 万方数据周健等Ⅲｏ对Ａ１２０３一Ａ１２０３以及Ａ１２０３和ＨＡＰ（羟基磷灰石）生物陶瓷进行了焊接，并借助电镜、电子探针分析了界面结合情况。
前者在２ＭＰａ、１３００℃、保温１５ｍｉｎ时结合强度达到基体强度。
后者在２．５ＭＰａ、１２００℃、保温１５ｍｉｎ左右将两类材料焊接在一起。
蔡杰等¨引采用１’Ｅ１０３型谐振腔分别在１３００和１４００℃对Ａ１２０３一Ａ１２０３进行焊接，认为在１３００℃焊接时，虽经长时间保温，焊接效果不理想，在１４００℃、保温２０ｍｉｎ，焊缝消失。
如上所述，氧化铝陶瓷一般采用直接焊接，对于高纯度氧化铝陶瓷一般采用低纯氧化铝或玻璃做中间层，目前也有人用溶胶凝胶方法制备的氧化铝做中间层。
目前微波焊接腔体的微波场的均匀区域还不大，改进微波场的分布，提高加热均匀区域，可以提高材料的焊接尺寸。
同时增加焊接材料的种类。
７激光焊接激光焊接陶瓷是近年来发展的新技术，Ｍｉｔｔｗｅｉｄａ公司开发了双束激光焊接陶瓷方法，其原理见图９。
图９双束激光焊接示意图¨引Ｆｉｇ．９Ｓｋｄ【ｃｈｏｆｄｏｕｂｌｅｌａｓｅｒｗｅｌｄｉＩｌｇ采用高能束激光焊方法，可快速加热和冷却，配以氮气筛的冷却和温度场调节，诱导和改善复合材料增强相和基体界面反应，而提高接头强度。
采用脉冲输入方式，可抑制界面反应，细化组织，减少缺陷，获得良好接头，在操作时对激光功率控制非常重要啪Ｊ。
用该法焊接的Ａｌ：Ｏ，陶瓷试样，激光焊接区细晶粒均匀，在电子显微镜下，可以看到晶粒呈片瓦结构，防止了裂纹的产生和扩展。
经１００次反复加热和冷却后，试样的弯曲强度无明显下降。
８结语随着Ａｌ，Ｏ，陶瓷的广泛应用，其连接技术已成为世界各国集中研究的重点，其中钎焊与扩散连接是最常用的连接方法，但都有其局限性。
例如：用钎焊方法形成的陶瓷接头的高温性能和抗氧化性能较差；钎焊的界面反应机理现在还处于试验阶段，缺乏系统性和理论性。
扩散连接虽然可以减小界面缺陷，并适合大尺寸构件的接合，但易发生试件的变形和损伤等。
近来新发展的微波连接能很好地实现接头处均匀连接，避免了开裂的发生，而且由于升温速度极快，陶瓷内部的晶粒不会剧烈长大。
而ｓＨｓ焊接和激光焊接还处于起步阶段，有待于发展。
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