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陶瓷-金属焊接：我要粘你一辈子！

来源：世展网分类：粉体工业行业资讯 2023-09-26 16:08 阅读：8923

随着科学技术的高速发展，现代工业对工程材料提出了更为严苛的要求。先进陶瓷由于具有高强度、高硬度、优异的耐磨性及耐腐蚀性等特点，已成为工程结构领域不可或缺的一部分。由于脆性大、加工性能差，单一的陶瓷材料不足以满足工程领域的要求，应用时往往需要和塑韧性较好的金属材料连接在一起，使二者优势互补，充分发挥陶瓷的优异性能，如CT射线管真空金属陶瓷部件、蓝宝石整流罩和金属弹体的连接、YAG透明窗口和钛合金的连接等。因此，陶瓷与金属的连接具有广泛的需求，是工程材料连接领域的重点、热点问题，同时也是难点问题。

(CT射线管真空金属陶瓷部件，图片来源：临沂临虹)

陶瓷-金属连接技术起源与发展

陶瓷-金属连接技术起源于20世纪初期的德国。1935年德国西门子公司Vatter第一次采用陶瓷金属化技术并将产品成功实际应用到真空电子器件中；1956年美国开发了活化Mo-Mn法，此法广泛适用于电子工业中的氧化铝陶瓷与金属连接。我国的陶瓷与金属封接工艺是于1958年在北京电子管厂开始，先后由原电子部十二所、原电子部十三所等单位参与筹备。用于与金属连接的陶瓷产品主要有陶瓷结构件和陶瓷基板。结构件产品在上世纪七十年代国内就已开始初步产业化，以真空管等一系列产品为代表，在2000年以后因市场需求的增大和新材料的不断涌现，诸如陶瓷继电器、陶瓷密封连接器等系列产品大规模实现产业化；随着信息时代的到来，因大功率器件的发展，对电路板的要求不断提高，具有高导热率的陶瓷基板成为了必不可少的组成部分，其可满足高功率、高集成度、纤薄轻巧的需求。不论是陶瓷结构件还是陶瓷基板，实现陶瓷与金属之间的可靠连接是推进陶瓷材料应用的关键。陶瓷与金属的连接工艺中最大的难点在于陶瓷和金属的热膨胀系数相差较大，在连接完成后，封接界面处会产生较大残余应力，降低了接头强度，以及金属对陶瓷表面的润湿效果比较差，不能简单地实现陶瓷与金属的连接。典型陶瓷和金属的性质

目前，陶瓷与金属的常用冶金连接方法主要为钎焊、扩散焊、自蔓延高温合成焊接和熔化焊等。其中，钎焊是所有连接方法中最普遍的连接方法。

最常用连接技术：钎焊

钎焊是以熔点比母材低的材料作为钎料，采用略高于钎料熔点的焊接温度使钎料发生熔化，润湿被连接材料表面，随后填充接头间隙，通过母材与钎料间元素的互扩散实现连接的一种焊接技术。钎焊在物化性能差异较大的异种材料焊接方面具有较好的潜力，是连接陶瓷与金属的最常用方法，具有操作简便、连接强度高、适用于高温高压等极端环境等优点。对于陶瓷材料与金属的钎焊而言，通常需要解决以下两方面难题。（1）改善润湿性钎料在陶瓷上具有较小的润湿角是实现冶金连接的前提。由于金属与陶瓷之间的润湿性通常较差，甚至是不润湿，所以为了使钎料润湿陶瓷的表面，常采用陶瓷表面金属化处理或在钎料中添加活性金属元素（Ti、Zr、Hf、V）等方法来提高钎料与陶瓷材料之间的润湿性。陶瓷金属化处理也称两步法或间接钎焊法，常见的主要有Mo-Mn法、离子注入法、气相沉积法和化学镀层等。间接钎焊分两步进行，首先对陶瓷表面进行金属化处理，然后采用常规钎焊方法进行连接。该方法的关键是把金属钎料对陶瓷表面的润湿转化成钎料对金属镀层的润湿，从而大大提高了润湿性，但采用这种方法改善润湿性操作复杂、周期较长。在钎料中添加活性金属元素的方法也称活性钎焊法、一步法或直接钎焊法，可一步完成，在陶瓷与金属异种材料连接方面具有显著优势。基本原理是钎焊时液态钎料中的活性元素如Ti，Zr，V，Hf等与陶瓷发生反应，从而改善钎料在陶瓷上的润湿性。活性钎焊时，活性元素与陶瓷表面发生反应，生成由二者构成的化合物反应层，该层一般具有类似金属的结构与性质，从而实现陶瓷与金属的冶金连接。

图为液态AgCu和AgCu-4.5Ti（质量分数）在Ti₃SiC₂陶瓷表面的润湿情况示意图，可以看出，Ti元素的存在显著降低了润湿角。

（2）减小残余应力由于金属与陶瓷之间的膨胀系数差异较大，容易致使接头中产生较大的残余应力，导致接头强度低。因此，在进行陶瓷材料与金属钎焊时，常通过添加特殊中间层或复合钎料等方式来缓解残余应力，从而提高接头强度。

陶瓷/金属中间层法钎焊结构

中间层法是通过在陶瓷与金属母材之间加入热膨胀系数和弹性模量介于二者之间的缓冲层，以达到缓解残余应力的目的。常用的中间层可分为3类：软性中间层、硬性中间层和软/硬复合中间层。软性中间层法通过软金属材料的塑性变形或蠕变来缓解残余应力，如Cu，Ni，Al等；硬性中间层法通过采用热膨胀系数低（接近陶瓷）的金属如W，Mo等来达到缓解残余应力的目的；而软/硬复合中间层一般由软金属层、硬金属层和钎料层组成，通过其梯度变化的弹性模量和热膨胀系数以更好地缓解残余应力。复合钎料法通过向钎料中直接添加或在钎焊过程中原位生成增强相，从而达到缓解残余应力、提高接头强度的目的。常用的增强相有C纤维、陶瓷颗粒、金属颗粒、TiB晶须等。

陶瓷-金属连接的重要应用

（1）医疗领域生物陶瓷材料因其具有良好的生物相容性和抗菌性，在医疗领域广泛的应用，如生物陶瓷支架、人工合成骨、人造牙等。金属钛、钛合金、钴基合金等在牙科、骨科和医疗设备在当今有着重要的应用。陶瓷-金属连接在医疗领域的应用极其重要，生物金属材料在应用过程中因相互摩擦会产生不利于健康的金属磨损颗粒，在摩擦处连接陶瓷材料可有效解决这一问题，如金属Ti和Al₂O₃陶瓷的连接应用。（2）电力电子领域当今工业时代，电能绝对是最重要的能源，陶瓷-金属连接在电力应用领域有着广泛的应用。绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种新型电力控制器件，从手机到高铁都应用广泛。活性金属钎焊法连接Si₃N₄陶瓷/Cu的IGBT模块已经应用于汽车电力控制，AlN/Cu的钎焊连接也多用于IGBT的制造。真空开关管是高压电力控制的关键器件之一，中国每年需求极大，而真空管由陶瓷和金属连接组成，连接质量会直接影响真空管的真空度，对电力控制有着关键性影响。Al₂O₃陶瓷管与金属（如不锈钢、Cu）钎焊连接真空管有良好的气密性能和接头性能。（3）汽车领域陶瓷材料在汽车领域应用广泛，发动机气门的材料要求具有较高的耐高温、耐磨的特性，此外陶瓷材料比重小，应用于气门能够提高发动机转速，如Si₃N₄陶瓷接头。在柴油发动机的气门挺柱需要与凸轮高频摩擦，陶瓷挺柱也涉及到陶瓷-金属的连接。（4）固体燃料电池固体氧化物燃料电池是未来最具发展前景的电池之一，固体氧化物燃料电池是由电解质、正极和负极组成的陶瓷-金属复合结构，其在工作过程中负载很大，单个电池堆叠在金属板上。因此就要求陶瓷-金属接头有负载能力、气密性和优异的抗氧化性，常用的主要有不锈钢和YSZ。

参考来源：[1]范彬彬，赵林等.陶瓷与金属连接的研究及应用进展[2]王星星等.陶瓷/金属异质钎焊连接研究进展[3]张瑜等.陶瓷基复合材料与金属异种材料焊接技术的研究现状[4]袁海森等.陶瓷与金属冶金连接技术研究进展

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2023第六届新型陶瓷技术与产业高峰论坛

据统计，先进陶瓷产业每年以8%左右的增长速度高速发展，全球先进陶瓷产业已达到数万亿级的市场规模，我国已成为全球最大的先进陶瓷消费市场，而我国陶瓷企业市场份额却仅占全球10%～15%。无论是中国市场还是国际市场对先进陶瓷粉体与产品需求将持续强劲，中国先进陶瓷企业仍然具有很多发展机会和潜力，国产替代已将成为产业链的必然发展趋势。随着技术进步，陶瓷滤波器、高温结构陶瓷、生物陶瓷、陶瓷膜等一系列先进陶瓷的研究成果和新产品不断涌现，并呈现出良好的产业化应用前景；5G、新能源汽车、半导体等新兴市场的崛起又带来了崭新的应用方向。可以看见，先进陶瓷材料在新兴产业和传统产业改造中发挥越来越大的作用，各种功能的不断发掘与应用领域的多元化将使得先进陶瓷作为现代工业基础支撑材料的地位日益显著。在此背景下，中国粉体网将于2023年12月在湖北宜昌举办“第六届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”，旨在与国内外新型陶瓷产业链人士共同交流前沿技术，沟通行业信息，助力科研单位成果转化，帮助企业寻找新的市场方向。大会热诚欢迎国内外相关领域的专家、学者、科研人员、企业界代表积极参会，同时欢迎公司、企事业单位展示技术成果，洽谈产、学、研合作。

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