中國粉體網訊 隨著科學技術的高速發(fā)展，現代工業(yè)對工程材料提出了更為嚴苛的要求。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，已成為工程結構領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域的要求，應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-金屬連接技術起源與發(fā)展
陶瓷-金屬連接技術起源于20世紀初期的德國。1935年德國西門子公司Vatter第一次采用陶瓷金屬化技術并將產品成功實際應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品主要有陶瓷結構件和陶瓷基板。結構件產品在上世紀七十年代國內就已開始初步產業(yè)化，以真空管等一系列產品為代表，在2000年以后因市場需求的增大和新材料的不斷涌現，諸如陶瓷繼電器、陶瓷密封連接器等系列產品大規(guī)模實現產業(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。
不論是陶瓷結構件還是陶瓷基板，實現陶瓷與金屬之間的可靠連接是推進陶瓷材料應用的關鍵。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相差較大，在連接完成后，封接界面處會產生較大殘余應力，降低了接頭強度，以及金屬對陶瓷表面的潤濕效果比較差，不能簡單地實現陶瓷與金屬的連接。
典型陶瓷和金屬的性質
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：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連接的一種焊接技術。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。該方法的關鍵是把金屬釬料對陶瓷表面的潤濕轉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，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，生成由二者構成的化合物反應層，該層一般具有類似金屬的結構與性質，從而實現陶瓷與金屬的冶金連接。
圖為液態(tài)AgCu和AgCu-4.5Ti（質量分數）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）減小殘余應力
由于金屬與陶瓷之間的膨脹系數差異較大，容易致使接頭中產生較大的殘余應力，導致接頭強度低。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合釬料等方式來緩解殘余應力，從而提高接頭強度。
陶瓷/金屬中間層法釬焊結構
中間層法是通過在陶瓷與金屬母材之間加入熱膨脹系數和彈性模量介于二者之間的緩沖層，以達到緩解殘余應力的目的。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力，如Cu，Ni，Al等；硬性中間層法通過采用熱膨脹系數低（接近陶瓷）的金屬如W，Mo等來達到緩解殘余應力的目的；而軟/硬復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以更好地緩解殘余應力。
復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-金屬連接的重要應用
（1）醫(yī)療領域
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)療領域廣泛的應用，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)療設備在當今有著重要的應用。陶瓷-金屬連接在醫(yī)療領域的應用極其重要，生物金屬材料在應用過程中因相互摩擦會產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陶瓷的連接應用。
（2）電力電子領域
當今工業(yè)時代，電能絕對是最重要的能源，陶瓷-金屬連接在電力應用領域有著廣泛的應用。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種新型電力控制器件，從手機到高鐵都應用廣泛�；钚越饘兮F焊法連接Si3N4陶瓷/Cu的IGBT模塊已經應用于汽車電力控制，AlN/Cu的釬焊連接也多用于IGBT的制造。
真空開關管是高壓電力控制的關鍵器件之一，中國每年需求極大，而真空管由陶瓷和金屬連接組成，連接質量會直接影響真空管的真空度，對電力控制有著關鍵性影響。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）汽車領域
陶瓷材料在汽車領域應用廣泛，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，應用于氣門能夠提高發(fā)動機轉速，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、正極和負極組成的陶瓷-金屬復合結構，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用進展
[2]王星星等.陶瓷/金屬異質釬焊連接研究進展
[3]張瑜等.陶瓷基復合材料與金屬異種材料焊接技術的研究現狀
[4]袁海森等.陶瓷與金屬冶金連接技術研究進展
