陶瓷与金属的连接浅讲

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。

陶瓷与金属焊接文献综述1 陶瓷与金属焊接的难点陶瓷是金属与非金属元素的固体化合物，它与金属有相似之处，也有晶粒聚集体、晶粒和晶界。

但它与金属有本质上的不同，它不含有大量自由电子，而是以离子键、共价键或二者的混合键结合在一起，稳定性很高。

陶瓷与金属在内部结构上，陶瓷材料主要含有离子键或共价键，金属材料各原子通过金属键连接，两者在键型上有着很大的不同；两种材料外部物理化学性质上，陶瓷本征脆性与金属良好的塑韧性等方面也有相当大的差别，因而陶瓷与金属实现良好连接存在很多问题，主要体现在下面两点：1.1陶瓷和金属难于润湿陶瓷材料内部各原子通过离子键或共价键结合，其电子配位稳定，故陶瓷表现出稳定的化学性质，一般不与金属发生反应，在用钎焊方法连接陶瓷时，金属钎料一般难以润湿陶瓷，故陶瓷表面被钎料润湿是成功钎焊陶瓷与金属的前提条件。

1.2陶瓷与金属界面存在很大热应力陶瓷与金属材料焊接时，由于陶瓷与金属线膨胀系数相差很大，工件在钎焊的加热和冷却到室温过程中，陶瓷和金属都会产生膨胀和收缩，但因热膨胀不同，两者膨胀和收缩的程度存在差异，导致陶瓷与金属焊件在接头界面附近存在较大的热应力，接头热应力的存在严重影响了接头的力学性能，严重时还可能导致连接后接头的破坏开裂；通常断裂发生在焊接接头附近的陶瓷侧。

2.综述陶瓷与金属焊接的研究现状扩散焊接适用于各种陶瓷与各种金属的连接。

其显著特点是接头质量稳定，连接强度高，接头高温性能和耐腐蚀性能好。

因此，对于高温和耐蚀条件下的应用来讲，扩散焊接是陶瓷与金属连接最适宜的方法。

P.Hussasn（2014）等对陶瓷与铁素体和奥氏体不锈钢进行直接扩散焊接。

由于材料之间的相互反应和扩散，测试分析表明：陶瓷与铁素体钢之间形成了韧性很好的界面，从而缓和了陶瓷与铁素体钢之间的热性能不匹配。

而陶瓷与奥氏体不锈钢之间没有形成韧性层，因而陶瓷与铁素体不锈钢的连接比奥氏体不锈钢成功得多。

在陶瓷与金属的扩散焊接中，为缓解因陶瓷与金属的热膨胀系数不同而引起的残余应力以及控制界面反应，抑制或改变界面反应产物以提高接头性能，常采用中间层：（1）为缓解接头的残余应力，中间层可采用单一的软金属，也可采用多层金属。

1前言先进陶瓷材料具有硬度高、强度大、耐高温、耐磨性能好、抗腐蚀、抗氧化等优良的特性和广阔的应用前景，尤其是在电子、能源、交通、发动机制造、航空航天等领域。

然而，陶瓷的韧性值较低，属于脆性材料，采用机械加工的方法难以制备出尺寸较大和复杂结构的构件，为了克服先进陶瓷的脆性及难加工等问题，拓宽其进一步的应用与发展，常将陶瓷与金属连接起来，在性能上形成一种互补关系，使之成为理想的结构和工程材料，以满足现代工程的应用[1-2]。

陶瓷与金属的连接既是连接领域的热点问题又是难点问题，首先金属与陶瓷在化学键型、物理和化学特性、力学性能及微观结构等方面具有较大的差异；其次，陶瓷与金属的热膨胀系数相差较大，连接时在界面处导致残余应力的集中，致使接头强度下降。

生产中常用钎焊或扩散焊的方法将陶瓷与金属（陶瓷）连接起来，随着连接技术的深入研究，相继研发了一些新的方法（中性原子束焊、激光焊、超声波焊、微波焊以及燃烧合成技术等）[3]。

本文针对近年陶瓷与金属连接而开发的连接技术进行阐述，总结最新的研究成果并对其进行展望。

2陶瓷与金属的连接技术15世纪中叶，我国明代景泰蓝的制作开创了陶瓷与金属连接技术的先河，但是，具有产业化的、工业规模的连接技术则始于20世纪30年代。

Wattery 和德律风根公司的Pulfrich于1935~1939年在陶瓷表面喷涂一层高熔焦仁宝1,2，荣守范1，李洪波1，朱永长1，刘文斌1，张圳炫1（1.佳木斯大学材料科学与工程学院，佳木斯154007；2.佳木斯大学机械工程学院，佳木斯154007）陶瓷与金属连接是陶瓷面向工程应用的关键技术。

本文阐述了适用于陶瓷与金属连接的各种方法及其机理、特点和工程上的应用。

指出钎焊和扩散焊具有很好的适应性，并对陶瓷与金属连接的研究前景进行了展望。

金属；连接方法（1980年~），男，黑龙江省佳木斯人，博士研究生。

黑龙江省教育厅项目（2016-KYYWF-0567）. All Rights Reserved.点金属（Ni 、W 、Fe 、Cr 、Mo ）进行活化处理，采用间接钎焊的方法，制造陶瓷电子管，该项技术于1940年获得专利，称之为德律风根法。

陶瓷的封接技术及研究进展摘要：介绍了陶瓷与金属连接的主要类型和种类* 对各种连接方法的机理、特点和影响因素进行了重点介绍。

关键词：陶瓷金属连接焊接1引言陶瓷与金属的封接，也称焊接（包括陶瓷与陶瓷的焊接），在现代工业技术中的应用有着十分重要的意义。

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（1-2）。

实现陶瓷与金属的有效连接可以进一步扩大陶瓷的应用范围，诸如电视显像管金属引线的封接，电子元件的封装，飞行器及导弹关键部位的连接等都属于陶瓷—金属封接的范围。

2 陶瓷与金属连接的主要类型陶瓷封装的方法很多，按待焊接材料A和B.是否相同，可以分为同种材料的焊接和异种材料的焊接。

但是还可以根据A、B.间结合材料的有无和种类进行分类。

几种典型的陶瓷封接类型如表所示。

3 陶瓷封接方法3.1 粘合剂粘结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、导弹辅助件连接、修复涡轮、修复压气机转子方面。

现在胶接技术在国内外都得到了广泛的应用。

一般来讲，陶瓷与金属采用胶接连接，界面作用力为物理力、化学键。

化学粘接较其它工艺得到的界面强度低，据文献+#, 报道：采用有机胶的接头强度小于150MPa，采用无机胶的接头强度小于10MPa，且允许使用的温度有一定的限制（一般低于200度）；但粘接技术用在修复上，周期短、工艺简单、修复效率高、成型性能好，因而在动力工程和航空工业中静载荷和超低静载荷中得到了广泛的应用。

3.2 激光焊接将能量密度甚高的激光用于陶瓷的封接，称为激光焊接。

陶瓷用激光焊接装置主要由二氧化碳激光器、反射镜和聚光镜以及预热炉几部分构成。

二氧化碳激光器发出的激光束经反射镜和聚光镜聚焦于试样表面。

预热炉用于预热试样以避免激光照射的局部骤热而产生裂纹。

预热温度和焊接速度对焊接质量影响较大。

陶瓷制品的激光焊接，首先应考虑如何避免由加热、冷却速度和温度梯度所引起的热裂纹。

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。

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。

陶瓷与金属焊接技术：金属陶瓷材料发展应用的关键（Jul 31 2007 03:37PM ）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ＷＣＣｏ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。

我们研制的是添加ＴｉＮ的Ｔｉ(Ｃ，Ｎ)基金属陶瓷。

由于ＴｉＣ比ＷＣ具有更高的硬度和耐磨性，ＴｉＮ的加入可起到细化晶粒的作用，故Ｔｉ(Ｃ，Ｎ)基金属陶瓷可表现出比ＷＣ基或ＴｉＣ基硬质合金更为优越的综合性能。

这种新型金属陶瓷刀具材料的广泛应用是以其成功的连接技术为前提的，国内外对陶瓷与金属的连接开展了不少的研究，但对于金属陶瓷与金属连接的技术研究较少，以致于限制了Ｔｉ(Ｃ，Ｎ)基金属陶瓷材料在工业生产中的广泛应用。

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。

Ｔｉ(Ｃ，Ｎ)基金属陶瓷性能特点及应用现状Ｔｉ(Ｃ，Ｎ)基金属陶瓷是在ＴｉＣ基金属陶瓷基础上发展起来的一类新型工模具材料。

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。