陶瓷组装及连接技术-陶瓷与金属的活性钎焊连接-氮化物连接
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。
陶瓷组装及连接技术-陶瓷与金属的活性钎焊连接-氮化物连接
钎料的润湿 固-液-气三相平衡方程式，也称Young氏方程：
sg sl cos lg
式中：cosθ为“润湿系数”，θ为润湿角
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-钎料及中间层选择
钎料选择
高温结构件：
铁素体不锈钢
铝合金
热膨胀系数/K
-1
各种材料弹性模量和热膨胀系数的关系
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.4陶瓷与金属连接接头的热应力-热应力的影响因素
1）材料因素 材料因素主要包括热膨胀系数、弹性模量、泊松比、界 面特性、被连接材料的孔隙率、材料的屈服强度以及加工硬化系数等。 其中，异种材料间热形变差（α1T1- α2T2）、弹性模量比（E1/E2）、 泊松比的比值（ν 1/ν2）是影响热应力的主要因素。 2）温度分布的影响 不同的加热方式，加热温度，加热速度及冷却速 度等工艺参数，都会影响热应力的分布。 3）接头形状因素 接头形状因素主要包括板厚、板宽、长度、连接材 料的层数、层排列顺序、接合面形状和接合面的粗糙度。其中，两种 材料的厚度比、接头的长度与厚度之比是影响热应力的主要因素之一。
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
陶瓷与金属连接主要存在以下几个问题
（1）钎料很难对陶瓷和金属双方都润湿。 （2）界面容易形成多种脆性化合物。 （3）界面存在很大的残余应力。 （4）界面化合物很难进行定量分析。 （5）缺少数值模拟的基本数据。 （6）没有可靠的无损检测方法及评价标准。
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
氮化物的性质
Si3N4陶瓷
Si3N4陶瓷的应用
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)。
陶瓷与金属焊接的技术
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、氧化锆陶瓷等。
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1~5um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30~60um。
3，金属化：将涂好膏剂伪陶瓷件送入氢炉中，在1300~1500℃的温度下保温1h。
4，镀镍：为了更好的钎料润湿，在金属化层上再电镀一层厚约5um的镍层。
当钎焊温度低于1000℃时，则电镀层还需在1000℃氢炉中预烧结15~20min。
5，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：在通有氩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。
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。
陶瓷与金属连接技术
陶瓷与金属连接技术哎呀，说起陶瓷和金属这俩货，你可能觉得它们八竿子打不着，对吧？我一开始也是这么想的。
但你知道吗，这俩家伙要是能好好地连在一起，那可真是个技术活儿，而且用处大着呢！记得有一次，我去朋友家做客，他是个工程师，家里摆满了各种奇奇怪怪的玩意儿。
我一眼就瞧见了那个放在书架上的陶瓷花瓶，旁边还放着一个金属的小雕塑。
我当时就想，这俩东西放一块儿，看着挺不搭的，但朋友说，这可是他最新的研究项目，陶瓷和金属的连接技术。
他开始给我嘚瑟，说这个技术可不简单。
你看，陶瓷硬是硬，但脆啊，一不小心就碎了。
金属呢，结实，但硬碰硬的，俩硬家伙要是直接粘一块儿，那不是更硬了吗？所以，他们得想个办法，让这俩东西既能连在一起，又不会互相伤害。
他给我展示了他的实验过程。
首先，他得把金属表面弄得粗糙一点，这样陶瓷才能更好地粘上去。
他用砂纸一点一点地打磨，那认真劲儿，跟给宝贝擦脸似的。
然后，他把陶瓷的边缘也稍微磨了一下，这样两个表面就能更好地贴合。
接下来，就是最关键的一步了，他得用一种特殊的胶水，这种胶水能把陶瓷和金属牢牢地粘在一起。
他小心翼翼地把胶水涂在金属上，然后轻轻地把陶瓷放上去，生怕弄坏了。
他告诉我，这个胶水得等上好几个小时才能干，而且干了之后，那强度，比原来的金属还要结实。
等胶水干了之后，他又开始打磨，这次是为了把连接的部分弄得光滑一些，看起来更自然。
他一边打磨，一边还跟我聊天，说这个技术在工业上应用可广了，比如在汽车制造、航空航天领域，都能用得上。
我看着他忙活，心里想，这技术听着挺高大上的，但其实也挺接地气的。
你看，就连我们日常生活中的一些小玩意儿，也能用上这技术，比如那个花瓶和雕塑，现在它们不仅能放在一起，还不用担心会摔坏了。
最后，他把那个花瓶和雕塑放回原位，看着它们和谐地站在一起，我突然觉得，这技术不仅仅是连接了两种材料，更像是连接了两种文化，两种思想。
陶瓷的古老和金属的现代，就这么巧妙地融合在了一起。
所以，下次你看到陶瓷和金属放在一起，别急着说它们不搭，说不定，它们背后有着一段不为人知的故事呢。
金属和陶瓷的钎焊技术及新发展
金属和陶瓷的钎焊技术及新发展金属和陶瓷的钎焊技术及新发展摘要：综述了金属和陶瓷常用的钎焊工艺和部分瞬间液相(r,rlp)钎焊法，指出了金属和陶瓷钎焊的难点，展望了其发展趋势。
活性金属钎焊能有效改善陶瓷表面的润湿性，具有广泛的应用前景，而pn』p法为金属与陶瓷的高强度耐热连接开辟了一个新途径，正不断引起人们极大的兴趣和关注。
关键词：金属；陶瓷；中图分类号：tg454钎焊；部分瞬间液相钎焊文献标识码：a工程陶瓷以其优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨损的性能特点．已发展成为被普遍认可的高性能结构材料，但陶瓷件塑性差、不耐冲击．使其应用受到限制i1]。
金属和陶瓷的钎焊技术可以实现2种材料性能优点的相互结合，从而有效扩大其应用范围。
是当前材料科学和工程领域的研究热点之一。
钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到钎料熔点和母材熔点之间的温度，利用液态钎料润湿母材、填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法[2]。
由于普通金属钎料在陶瓷表面润湿性很差。
因此提高钎料在陶瓷表面的润湿性是保证钎焊质量的关键。
此外，金属和陶瓷物理性能、力学性能的不匹配也是影响钎焊的重要因素。
1 金属和陶瓷钎焊的难点金属陶瓷钎焊的主要难点在于冶金不相容和物性不匹配。
冶金不相容是指钎料熔化后对陶瓷不浸润，难以在熔接区和陶瓷实现原子间的冶金结合：物性不匹配是指金属陶瓷的热膨胀系数差异太大。
在钎焊结合区存在很大的应力梯度。
钎焊产生的热应力使连接强度降低、质量难以满足需要。
目前常常通过添加活性元素以改善钎料在陶瓷表面的润湿性，采用添加缓冲层的方法来解决金属陶瓷物性不匹配的问题。
缓冲层分为软性缓冲层、硬性缓冲层和软硬双层缓冲层三大类。
软性缓冲层的热膨胀系数较高，夹在金属钎料与陶瓷之间可以解决热膨胀不匹配引起的残余应力．但与金属间的连接往往不够理想．因此在某些情况下采用软硬双层缓冲层：一层是与陶瓷有较好结合强度的软性缓冲层；一层是低膨胀系数的硬性缓冲层．夹在钎料与陶瓷之间进行施焊．这种方法能够在一定的程度上改善接头性能。
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2 3
碳热还原氮化 气相合成法
3SiO2+6C+2N2= Si3N4+6CO 3SiCl+4NH3=Si3N4+12HCl 3SiCl+16NH3=Si3N4+12NH4Cl 3Si(NH)2=Si3N4+2NH3 3Si(NH2)4=Si3N4+8NH3
4
热分解法
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
氮化物的性质
Si3N4陶瓷
氮化硅陶瓷的性能
• 氮化硅陶瓷是无机非金属强共价键化合物，具有优异的耐高温和 高强度、高硬度性能，硬度可达HRA91-93；热硬性好，能承受 1300-1400℃的高温；
• 与碳和金属元素化学反应较弱，摩擦系数也较低；本身具有润滑 性，并且耐磨损； • 除氢氟酸外，它不与其它无机酸反应，抗腐蚀能力强； • 高温时抗氧化；它还能抵抗冷热冲击，在空中加热到1000℃以上， 急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂； • Si3N4陶瓷在很高的温度下，蠕变也很小，就是说在高温和固定负 载的作用下，所产生的缓慢塑性形变很小，这也是它比金属优越 的可贵性能，氮化硅陶瓷具有高比强、高比模、耐高温、抗氧化 和耐磨损以及高抗热震性等优点，所以在高温、高速、强腐蚀介 质的工作环境中具有特殊的使用价值。
• a-Si3N4:长柱状或针状 • b-Si3N4: 等轴状
由[SiN4]四面体共用顶角构成三维网络
b-Si3N4:几乎完全对称的六个[SiN4]组成的六方环层在C 轴方向重叠而成 a-Si3N4:两层不同且有变形的非六方环重叠而成，结构 对称性低，内部应力大。
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.3 陶瓷和金属连接接头的热应力控制-热应力的控制方法
异种材料接头热应力控制方法
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
3.2.1 氮化物陶瓷性质及应用介绍
氮化物的性质
氮化硅（Si3N4）陶瓷
氮化硼（BN）陶瓷
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
氮化物的性质
陶瓷组装及连接课程
3.陶瓷与金属的活性钎焊连接
本章主要内容：
3.1陶瓷与金属连接的基础问题
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
3.3 碳化物陶瓷及其与金属的连接 3.4 氧化物陶瓷及其与金属的连接 3.5 硼化物陶瓷及其与金属的连接 3.6 碳材料及其与金属的连接
3.7 玻璃及其与金属的连接
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-钎料及中间层选择
钎料的润湿 固-液-气三相平衡方程式，也称Young氏方程：
sg sl cos lg
式中：cosθ为“润湿系数”，θ为润湿角
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-钎料及中间层选择
钎料选择
高温结构件：
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-合金元素对润湿的影响
Zn元素的影响
AgCuZn钎料在TiC-Ni金属陶瓷表面的动态润湿角和动态铺展直径
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
AgCuZn钎料在TiC-Ni金属陶瓷表面不同铺展阶段的典型形貌
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.2 陶瓷与金属连接接头的界面反应
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
陶瓷与金属连接主要存在以下几个问题
（1）钎料很难对陶瓷和金属双方都润湿。 （2）界面容易形成多种脆性化合物。 （3）界面存在很大的残余应力。 （4）界面化合物很难进行定量分析。 （5）缺少数值模拟的基本数据。 （6）没有可靠的无损检测方法及评价标准。
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
c) 抗氧化能力
到一定温度后，在空气中氮化物就发生氧化，某些氮化物由于氧化时在 表面形成保护层，从而阻碍了进一步的氧化。
d) 导电性能变化很大
导电性: TiN、ZrN、NbN等。 绝缘性：BN, AlN, Si3N4
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
氮化物的性质
Si3N4陶瓷
Si3N4的晶体结构
氮化物的性质
Si3N4陶瓷
Si3N4的烧结
• 反应结合Si3N4(Reation-Bonding Silicon Nitride, RBSN) • 热压烧结Si3N4 （Hot-Pressed Silicon Nitride, HPSN） • 无压烧结Si3N4 （Sintered Silicon Nitride, SSN） • 气氛加压烧结Si3N4 (GPSN) • 热等静压烧结氮化硅(Hot-Isostaticlly Pressed Silicon Nitride, HIPSN)
Si3N4陶瓷作为刀具材料具有以下 优良性能： (1)高硬度。 (2)高强度。 (3)高耐热性和抗氧化性。 (4)高抗热震性。 (5) Si3N4陶瓷刀具化学稳定性 较硬质合金刀具好
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
氮化物的性质
Si3N4陶瓷
氮化硅陶瓷轴承
• 用氮化硅材料制成的陶瓷轴承球，具有密度低、耐高温、耐腐蚀、绝 缘、绝磁及自润滑性能好等优点，特别适合于制造陶瓷球混合轴承的 滚动体，广泛应用于高速电主轴、精密机床、化工泵、电子产品、电 加工设备及冶金等领域。
Fe、Ni、Co和Fe-Ni等， 与某些陶瓷不起反应， 但可与陶瓷组元相互扩 散形成扩散层
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-母材表面处理状态及对润湿的影响
连接面加工状态的影响 钎焊：表面要求不高，有时还需要在一定程度上增加 陶瓷表面粗糙度 扩散焊：待焊表面必须光滑平整，金属母材表面可加 工到Ra 0.63~1.2μm。
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
氮化物的性质
Si3N4陶瓷
Si3N4陶瓷的应用
• • • • • • • 氮化硅基陶瓷刀具 氮化硅陶瓷轴承 氮化硅陶瓷发动机 高温结构部件 耐磨部件 透波陶瓷-导弹天线窗/罩等 高导热陶瓷
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
氮化物的性质
Si3N4陶瓷
氮化硅基陶瓷刀具
(1)容易塑性变形，熔点比母材低； (2)物理化学性能与母材差异比被连接材料之间的差异小； (3)不与母材产生不良的冶金反应，如不产生脆性相或不 希望出现的共晶相； (4)不引起接头的电化学腐蚀。 (5)可选用单一的金属中间层、多层金属中间层和梯度金 属中间层
中间层的添加方法主要有：
(1)填加薄金属箔片，对难以制成箔片的脆性材料可加工 成非晶态箔片； (2)填加粉末中间层，可采用粘结剂混合成膏状，也可低 温压成片状； (3)表面镀膜，如蒸镀、PVD、电镀、离子镀、化学镀、 喷镀、离子注入等。
保温时间及表面状态对润湿角的影响(1123K)
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-合金元素对润湿的影响
Ti元素的影响
接触角和铺展直径随保温时间的变化曲线(1153K)
初始状态
65 s
100 s
500 s
520 s
700 s
1000 s
1500 s
液滴在陶瓷表面铺展过程中的典型液滴截面(1153K)
在陶瓷与金属的界面反应中主要取决于陶瓷与金属（包括中间层）的种类。
陶瓷与金属扩散连接过程中，各相之间的化学反应在自由能为负值时能够 进行，可以用吉布斯-泽尔曼方程式进行计算
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.3 陶瓷与金属连接接头的热应力-热应力的产生
纯金属 陶瓷 合金
弹性模量/GPa
钢
奥氏体不锈钢
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-母材表面处理状态及对润湿的影响
表面改性的影响
AgCuTi钎料在SiO2f/SiO2复合材料表面润湿角轮廓随时间的变化(1123K) (a) SiO2f/SiO2表面未生长石墨烯 (b) SiO2f/SiO2表面生长石墨烯
SiO2f/SiO2表面生长碳纳米管对AgCuTi钎料润湿的影响 (a) CNTs生长前 (b) CNTs生长后
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-钎料及中间层选择
中间层选择
活性金属中间层： V、Ti、Nb、Zr、Hf、 Ni-Cr及Cu-Ti等，能与 陶瓷相互作用，形成反 应产物，并通过生成的 反应产物使陶瓷与被连 接金属牢固连接在一起
粘附性金属中间层：
中间层的选择主要注意以下几点：
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
氮化物的性质
Si3N4陶瓷
氮化硅陶瓷发动机
Si3N4陶瓷发动机则具有以下优越性能： (1)发动机的工作温度可提高到1200-1650℃并无需水冷系统，可使 发动机效率提高30%左右，而传统的发动机材料一般为镍基等耐热合 金，其工作温度在1000℃左右且需循环水冷却系统。 (2)工作温度高，可使燃料充分燃烧，所排废气中的有害成分大为 降低，从而降低了能耗，减少了环境污染。 Si3N4陶瓷的热传导率比 金属低，使发动机的热量不易散发，节省能源。 (3) Si3N4陶瓷良好的高温强度可改善发动机性能、延长发动机的使 用寿命。
铁素体不锈钢
铝合金
热膨胀系数/K
-1
各种材料弹性模量和热膨胀系数的关系
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.4陶瓷与金属连接接头的热应力-热应力的影响因素
1）材料因素 材料因素主要包括热膨胀系数、弹性模量、泊松比、界 面特性、被连接材料的孔隙率、材料的屈服强度以及加工硬化系数等。 其中，异种材料间热形变差（α1T1- α2T2）、弹性模量比（E1/E2）、 泊松比的比值（ν 1/ν2）是影响热应力的主要因素。 2）温度分布的影响 不同的加热方式，加热温度，加热速度及冷却速 度等工艺参数，都会影响热应力的分布。 3）接头形状因素 接头形状因素主要包括板厚、板宽、长度、连接材 料的层数、层排列顺序、接合面形状和接合面的粗糙度。其中，两种 材料的厚度比、接头的长度与厚度之比是影响热应力的主要因素之一。