陶瓷与金属的连接方法
【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。
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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。
陶瓷与金属焊接的难点,解决方案,以及常见焊接方法
陶瓷与金属焊接的难点,解决方案,以及常见焊接方法
陶瓷和金属这两种材料具有不同的物理和化学性质，因此它们之间的焊接难度较大。
传统的焊接方法在这种情况下并不适用，因此需要采取一些特殊的措施来解决问题。
难点：
1.热膨胀系数：陶瓷和金属的热膨胀系数不同，这可能会导致焊接后出现应力和裂纹。
2.不同的熔点：陶瓷和金属的熔点不同，这可能会导致焊接时一种材料熔化而另一种材料未熔化的情况。
3.陶瓷易碎：陶瓷是一种非常脆弱的材料，它容易在焊接时破裂。
解决方案：
1.使用中间材料：中间材料具有较低的熔点和较高的热膨胀系数，可以作为陶瓷和金属之间的“粘合剂”。
常用中间材料包括玻璃、石墨和钨。
2.使用激光焊接：激光焊接是一种精确度和可控性非常高的焊接方法，可以避免陶瓷破裂和金属未熔化的问题。
3.使用电子束焊接：电子束焊接也是一种高精度的焊接方法，可以在不加热周围材料的情况下加热焊接区域，从而避免破裂和未熔化的问题。
常见焊接方法：
1.钎焊：钎焊是一种将金属焊接到陶瓷上的常见方法，它使用
一种称为钎料的中间材料来连接两个表面。
2.熔焊：熔焊是一种将金属和陶瓷直接焊接在一起的方法。
在熔焊中，金属和陶瓷的熔点相似或者采用中间材料。
3.粘接：粘接是一种将金属和陶瓷粘在一起的方法。
这种方法需要使用一种特殊的粘合剂来连接两个表面。
以上是陶瓷与金属焊接的难点、解决方案和常见焊接方法的概述。
在实际生产中，焊接方法的选择将取决于具体的应用和要求。
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。
陶瓷与金属的焊接方法大全，深度解析，值得收藏
陶瓷与⾦属的焊接⽅法⼤全，深度解析，值得收藏 Ti(C，N)基⾦属陶瓷是⼀种颗粒型复合材料，是在TiC基⾦属陶瓷的基础上发展起来的新型⾦属陶瓷。
Ti(C，N)基⾦属陶瓷具有⾼硬度、耐磨、耐氧化、耐腐蚀等⼀系列优良综合性能，在加⼯中显⽰出较⾼的红硬性和强度，它在相同硬度时耐磨性⾼于WC Co硬质合⾦，⽽其密度却只有硬质合⾦的1/2。
因此，Ti(C，N)基⾦属陶瓷⼑具在许多加⼯场合下可成功地取代WC基硬质合⾦⽽被⼴泛⽤作⼯具材料，填补了WC基硬质合⾦和Al2O3陶瓷⼑具材料之间的空⽩。
我国⾦属钴资源较为贫乏，⽽作为⼀种战略性贵重⾦属，近年来钴的价格持续上扬，因此，Ti(C，N)基⾦属陶瓷⼑具材料的研制开发和⼴泛应⽤，不仅可推动我国硬质合⾦材料的升级换代，⽽且在提⾼国家资源保障程度⽅⾯也具有重要的意义。
常⽤的连接陶瓷与⾦属的焊接⽅法有真空电⼦束焊、激光焊、真空扩散焊和钎焊等。
在这些连接⽅法中，钎焊、扩散焊连接⽅法⽐较成熟、应⽤较⼴泛，过渡液相连接等新的连接⽅法和⼯艺正在研究开发中。
本⽂在总结各种陶瓷与⾦属焊接⽅法的基础上，对⾦属陶瓷与⾦属的焊接技术进⾏初步探讨，在介绍各种适⽤于⾦属陶瓷与⾦属焊接技术⽅法的同时，指出其优缺点和有待研究解决的问题，以期推动⾦属陶瓷与⾦属焊接技术的研究，进⽽推⼴这种先进⼯具材料在⼯业领域的应⽤。
1 熔化焊 熔化焊是应⽤最⼴泛的焊接⽅法，该⽅法利⽤⼀定的热源，使连接部位局部熔化成液体，然后再冷却结晶成⼀体。
焊接热源有电弧、激光束和电⼦束等。
⽬前Ti(C，N)基⾦属陶瓷熔化焊主要存在以下两个问题有待解决：⼀是随着熔化温度的升⾼，流动性降低，有可能促进基体和增强相之间化学反应(界⾯反应)的发⽣，降低了焊接接头的强度；另⼀问题是缺乏专门研制的⾦属陶瓷熔化焊填充材料。
1) 电弧焊 电弧焊是熔化焊中⽬前应⽤最⼴泛的⼀种焊接⽅法。
其优点是应⽤灵活、⽅便、适⽤性强，⽽且设备简单。
但该⽅法对陶瓷与⾦属进⾏焊接时极易引起基体和增强相之间的化学反应(界⾯反应)。
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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。
6、瞬时液相连接：简称为TLP 连接或液相扩散焊，是在真空条件下，施加较小或不施加压力，当温度达到中间层熔点或中间层与母材元素通过互扩散形成低熔共晶
产物时，在中间层与母材之间形成液相薄膜，通过中间层降熔元素向母材扩散及母材中高熔点元素向液相中溶解，使液相层熔点不断升高，并在等温条件下凝固，最后经过均匀化形成致密接头。
瞬时液相连接综合了钎焊和固相扩散焊的优点，已经成功应用在金属间化合物、先进陶瓷、耐热耐蚀超合金、单晶合金等多种先进材料的连接。
7、自蔓延高温合成(SHS)连接：是在陶瓷和金属之间预置高温焊料，
点燃焊料产生短时间高温燃烧，以SHS反应放出的热为高温热源，以SHS产物为焊料，使陶瓷-金属界面迅速融合，并快冷形成牢固的连接。
SHS连接材料的配方、压力、气氛等均易于控制，反应时间短，能显著地减少连接时间，但是反应速度太快，焊料燃烧时间难于控制，从而也就使界面反应难于控制。
陶瓷与金属的连接方法很多，目前被广泛使用的仍然是钎焊、固相扩散连接以及瞬时液相连接等方法。