无机非金属材料和金属材料连接的应用推广

丁希玥

（佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154000）

无机非金属材料作为三大材料之一被广泛用于宇航、建筑、电力学等领域，但是因为其可塑性差、硬度强、脆度高，无法用于制作大结构主体。金属材料的强延展性、优异的冷加工性能很好的弥补了无机非金属材料的弱点。在电真空装置（白炽灯、荧光灯、电子管等） 普遍要运用到玻璃、陶瓷等无机非金属材料和金属材料的连接工艺，所以无机非金属材料和金属材料连接一直是材料连接领域的热点研究对象。然而在无机非金属材料和金属材料连接中却面临着的热应力问题和物理化学相容性的棘手问题。无机非金属材料和金属材料在加热融化和冷却凝固中表现出来的速率不一致，形成一定的温差，可能导致焊接处有大量的残余热应力，消弱焊接处力学牢固性。

1 整体连接构思

针对热应力问题，为加强无机非金属材料和金属材料连接成功率和稳固性，可在两者之间加入缓冲材料，缓冲材料要与两者的开发线膨胀系数相适应，例如瓷封合金、 玻封合金、 封接玻璃等都可以作为不错的缓冲材料。针对物理化学相容性问题，可以通过两种方式解决，分别是：改变材料表面的特性、利用活性元素反应。改变材料表面的特性主要是在金属材料表层覆盖一层氧化物薄膜，在玻璃等非金属材料表面覆盖一层金属膜，增强两者的湿润性，减小两者之间的热胀系数差。

2 无机非金属材料和金属材料连接应用种类

2.1 玻璃与金属封接

玻璃的主要成分是SiO2，Al2O3，它们都是以共价键的方式存在， 能表现出很稳定的电子配位，而金属材料是却以电子云的方式存在，物理化学的不容性导致玻璃无法再金属材料表面包裹。将金属在含氧环境中加热使其成为氧化铁化合物（Fe2O3、Fe3O4）[1]，这层氧化薄膜可与热融化的玻璃相融。解决热膨胀系数不同的问题可在两者之间加入Fe－Co－Ni 系膨胀合金解决问题。值得注意的是有当金属氧化物的摩尔体积与金属元素的摩尔体积之比略大于1 时，金属表面才能形成覆盖连续且致密的有效氧化膜[2]。玻璃－金属封接问题的解决可有效提高太阳能接收器玻璃与调节伐封接的牢固性。

2.2 陶瓷与金属封接

陶瓷－金属封接方法大多采用在陶瓷表面烧制一层金属包膜，烧制而成的金属包膜的质量是决定整个陶瓷－金属封接接头的关键部位。 对热应力的释放则依赖于定膨胀合金在其中的缓冲作用。对于焊料的选择，要具备以下几种要求：第一，适当的熔点；第二，良好的填补性能；第三，能与母材料发生作用，形成有一定强度的冶金；第四，具有稳定的组成成分。封接之后可以运用化学仪器来检验封接质量，常用的仪器有万能实验测试机、氦质朴检测仪、绝缘电阻检测仪、介质耐压测试仪。这四种仪器分别测试接口的拉力、密封性、绝缘电阻和介质耐压性。

2.3 陶瓷与金属活性钎焊

传统的陶瓷和金属焊接方法是直接在在钎料中添加Ti，Zr 等活性成分，不仅能增加钎料对陶瓷中的主要成分的亲和力，这种方式一直沿用至今，比较方便快捷，所以对陶瓷－金属的新型焊接工艺的研究较少。但是，有学者发现， 陶瓷－金属活性钎焊能在原有基础上实现制作流程简单，制作速度快，效率高等优点[3]。目前投入研究的活性元素Ag、Ni、Ti 都表现出了不错的效果。其中活性元素T 在与铁高温煅融是生成了化合物TiFe2 和TiMn，能让较小的碳分子也加快与钎料层的扩赛速度，形成一层TiC[3]。利用活性元素钎焊要注意其加热和保温时间，通过多次试验掌握好接头效果最好的保温时间。

2.4 陶瓷和金属过渡液相扩散焊接

虽然说传统的活性钎焊工艺就以实现陶瓷和金属两者之间的可靠连接，但有一点缺陷，就是接头部位不能接触到高温环境， 这是因为活性钎焊的连接出温度较低，一旦接触热环境就会导致热应力的增大。针对这个问题，提出的陶瓷－金属的过渡液相扩散焊概念能有效解决此问题。陶瓷－金属过渡液相扩散焊的中间层一般为复合中间层，这层复合层包括一层 低熔点金属或合金和一层较厚的高熔点核心层。 低熔点薄层熔化后扩散进入高熔点材料，两层之间能发生化学反应，为了提高材料受热的均匀度，使用分段加热的方法，降温冷却时可用循环水辅助冷却， 形成的合金或中间层性质取决于高熔点核心材料的物理性质。实验过程中发现扩散焊接工艺中各种制备要素的最佳参数，温度在1160 摄氏度，保温时间为30 分钟，焊接压力为7.5 兆帕。结合处光滑紧密，金属与陶瓷有机地连为一体。另外，研究发现，相同条件下，经过表面金属化处理的陶瓷比没有经历过表面金属化处理的陶瓷表现出更高的强度。

3 结语

综上所述，物理化学性不相容及连接释放的大量残余的热应力一直是无机非金属材料和金属材料连接的棘手问题，针对“玻璃与金属的封接、陶瓷与金属封接、陶瓷与金属的活性钎焊和陶瓷与金属的过渡液相扩散焊”四个方面着手分析了连接处理的方法，不同的连接工艺有其各自的利与弊，在电真空装置的实际研制中要根据连接材料的实际情况选择合适的连接方式，最大限度提高制作电真空装置的质量。