中國粉體網(wǎng)訊 隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對工程材料提出了更為嚴(yán)苛的要求。先進陶瓷由于具有高強度、高硬度、優(yōu)異的耐磨性及耐腐蝕性等特點，已成為工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域不可或缺的一部分。由于脆性大、加工性能差，單一的陶瓷材料不足以滿足工程領(lǐng)域的要求，應(yīng)用時往往需要和塑韌性較好的金屬材料連接在一起，使二者優(yōu)勢互補，充分發(fā)揮陶瓷的優(yōu)異性能，如CT射線管真空金屬陶瓷部件、藍寶石整流罩和金屬彈體的連接、YAG透明窗口和鈦合金的連接等。因此，陶瓷與金屬的連接具有廣泛的需求，是工程材料連接領(lǐng)域的重點、熱點問題，同時也是難點問題。
(CT射線管真空金屬陶瓷部件，圖片來源：臨沂臨虹)
陶瓷-金屬連接技術(shù)起源與發(fā)展
陶瓷-金屬連接技術(shù)起源于20世紀(jì)初期的德國。1935年德國西門子公司Vatter第一次采用陶瓷金屬化技術(shù)并將產(chǎn)品成功實際應(yīng)用到真空電子器件中；1956年美國L.H.Lafoge開發(fā)了活化Mo-Mn法，此法廣泛適用于電子工業(yè)中的氧化鋁陶瓷與金屬連接。我國的陶瓷與金屬封接工藝是于1958年在北京電子管廠開始，先后由原電子部十二所、原電子部十三所等單位參與籌備。
用于與金屬連接的陶瓷產(chǎn)品主要有陶瓷結(jié)構(gòu)件和陶瓷基板。結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品在上世紀(jì)七十年代國內(nèi)就已開始初步產(chǎn)業(yè)化，以真空管等一系列產(chǎn)品為代表，在2000年以后因市場需求的增大和新材料的不斷涌現(xiàn)，諸如陶瓷繼電器、陶瓷密封連接器等系列產(chǎn)品大規(guī)模實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；隨著信息時代的到來，因大功率器件的發(fā)展，對電路板的要求不斷提高，具有高導(dǎo)熱率的陶瓷基板成為了必不可少的組成部分，其可滿足高功率、高集成度、纖薄輕巧的需求。
不論是陶瓷結(jié)構(gòu)件還是陶瓷基板，實現(xiàn)陶瓷與金屬之間的可靠連接是推進陶瓷材料應(yīng)用的關(guān)鍵。陶瓷與金屬的連接工藝中最大的難點在于陶瓷和金屬的熱膨脹系數(shù)相差較大，在連接完成后，封接界面處會產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，降低了接頭強度，以及金屬對陶瓷表面的潤濕效果比較差，不能簡單地實現(xiàn)陶瓷與金屬的連接。
典型陶瓷和金屬的性質(zhì)
目前，陶瓷與金屬的常用冶金連接方法主要為釬焊、擴散焊、自蔓延高溫合成焊接和熔化焊等。其中，釬焊是所有連接方法中最普遍的連接方法。
最常用連接技術(shù)：釬焊
釬焊是以熔點比母材低的材料作為釬料，采用略高于釬料熔點的焊接溫度使釬料發(fā)生熔化，潤濕被連接材料表面，隨后填充接頭間隙，通過母材與釬料間元素的互擴散實現(xiàn)連接的一種焊接技術(shù)。釬焊在物化性能差異較大的異種材料焊接方面具有較好的潛力，是連接陶瓷與金屬的最常用方法，具有操作簡便、連接強度高、適用于高溫高壓等極端環(huán)境等優(yōu)點。對于陶瓷材料與金屬的釬焊而言，通常需要解決以下兩方面難題。
（1）改善潤濕性
釬料在陶瓷上具有較小的潤濕角是實現(xiàn)冶金連接的前提。由于金屬與陶瓷之間的潤濕性通常較差，甚至是不潤濕，所以為了使釬料潤濕陶瓷的表面，常采用陶瓷表面金屬化處理或在釬料中添加活性金屬元素（Ti、Zr、Hf、V）等方法來提高釬料與陶瓷材料之間的潤濕性。
陶瓷金屬化處理也稱兩步法或間接釬焊法，常見的主要有Mo-Mn法、離子注入法、氣相沉積法和化學(xué)鍍層等。間接釬焊分兩步進行，首先對陶瓷表面進行金屬化處理，然后采用常規(guī)釬焊方法進行連接。該方法的關(guān)鍵是把金屬釬料對陶瓷表面的潤濕轉(zhuǎn)化成釬料對金屬鍍層的潤濕，從而大大提高了潤濕性，但采用這種方法改善潤濕性操作復(fù)雜、周期較長。
在釬料中添加活性金屬元素的方法也稱活性釬焊法、一步法或直接釬焊法，可一步完成，在陶瓷與金屬異種材料連接方面具有顯著優(yōu)勢。基本原理是釬焊時液態(tài)釬料中的活性元素如Ti，Zr，V，Hf等與陶瓷發(fā)生反應(yīng)，從而改善釬料在陶瓷上的潤濕性�；钚遭F焊時，活性元素與陶瓷表面發(fā)生反應(yīng)，生成由二者構(gòu)成的化合物反應(yīng)層，該層一般具有類似金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，從而實現(xiàn)陶瓷與金屬的冶金連接。
圖為液態(tài)AgCu和AgCu-4.5Ti（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在Ti3SiC2陶瓷表面的潤濕情況示意圖，可以看出，Ti元素的存在顯著降低了潤濕角。
（2）減小殘余應(yīng)力
由于金屬與陶瓷之間的膨脹系數(shù)差異較大，容易致使接頭中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致接頭強度低。因此，在進行陶瓷材料與金屬釬焊時，常通過添加特殊中間層或復(fù)合釬料等方式來緩解殘余應(yīng)力，從而提高接頭強度。
陶瓷/金屬中間層法釬焊結(jié)構(gòu)
中間層法是通過在陶瓷與金屬母材之間加入熱膨脹系數(shù)和彈性模量介于二者之間的緩沖層，以達到緩解殘余應(yīng)力的目的。常用的中間層可分為3類：軟性中間層、硬性中間層和軟/硬復(fù)合中間層。軟性中間層法通過軟金屬材料的塑性變形或蠕變來緩解殘余應(yīng)力，如Cu，Ni，Al等；硬性中間層法通過采用熱膨脹系數(shù)低（接近陶瓷）的金屬如W，Mo等來達到緩解殘余應(yīng)力的目的；而軟/硬復(fù)合中間層一般由軟金屬層、硬金屬層和釬料層組成，通過其梯度變化的彈性模量和熱膨脹系數(shù)以更好地緩解殘余應(yīng)力。
復(fù)合釬料法通過向釬料中直接添加或在釬焊過程中原位生成增強相，從而達到緩解殘余應(yīng)力、提高接頭強度的目的。常用的增強相有C纖維、陶瓷顆粒、金屬顆粒、TiB晶須等。
陶瓷-金屬連接的重要應(yīng)用
（1）醫(yī)療領(lǐng)域
生物陶瓷材料因其具有良好的生物相容性和抗菌性，在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，如生物陶瓷支架、人工合成骨、人造牙等。金屬鈦、鈦合金、鈷基合金等在牙科、骨科和醫(yī)療設(shè)備在當(dāng)今有著重要的應(yīng)用。陶瓷-金屬連接在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用極其重要，生物金屬材料在應(yīng)用過程中因相互摩擦?xí)a(chǎn)生不利于健康的金屬磨損顆粒，在摩擦處連接陶瓷材料可有效解決這一問題，如金屬Ti和Al2O3陶瓷的連接應(yīng)用。
（2）電力電子領(lǐng)域
當(dāng)今工業(yè)時代，電能絕對是最重要的能源，陶瓷-金屬連接在電力應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種新型電力控制器件，從手機到高鐵都應(yīng)用廣泛�；钚越饘兮F焊法連接Si3N4陶瓷/Cu的IGBT模塊已經(jīng)應(yīng)用于汽車電力控制，AlN/Cu的釬焊連接也多用于IGBT的制造。
真空開關(guān)管是高壓電力控制的關(guān)鍵器件之一，中國每年需求極大，而真空管由陶瓷和金屬連接組成，連接質(zhì)量會直接影響真空管的真空度，對電力控制有著關(guān)鍵性影響。Al2O3陶瓷管與金屬（如不銹鋼、Cu）釬焊連接真空管有良好的氣密性能和接頭性能。
（3）汽車領(lǐng)域
陶瓷材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，發(fā)動機氣門的材料要求具有較高的耐高溫、耐磨的特性，此外陶瓷材料比重小，應(yīng)用于氣門能夠提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，如Si3N4陶瓷接頭。在柴油發(fā)動機的氣門挺柱需要與凸輪高頻摩擦，陶瓷挺柱也涉及到陶瓷-金屬的連接。
（4）固體燃料電池
固體氧化物燃料電池是未來最具發(fā)展前景的電池之一，固體氧化物燃料電池是由電解質(zhì)、正極和負極組成的陶瓷-金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)，其在工作過程中負載很大，單個電池堆疊在金屬板上。因此就要求陶瓷-金屬接頭有負載能力、氣密性和優(yōu)異的抗氧化性，常用的主要有不銹鋼和YSZ。
參考來源：
[1]范彬彬，趙林等.陶瓷與金屬連接的研究及應(yīng)用進展
[2]王星星等.陶瓷/金屬異質(zhì)釬焊連接研究進展
[3]張瑜等.陶瓷基復(fù)合材料與金屬異種材料焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀
[4]袁海森等.陶瓷與金屬冶金連接技術(shù)研究進展
