1. 發(fā)展背景  

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，陶瓷的組成、性能、制造工藝和應(yīng)用領(lǐng)域已發(fā)生了根本性的變化，從傳統(tǒng)的生活用陶瓷發(fā)展成為具有特殊性能的功能陶瓷和高性能的工程陶瓷，在電子信息技術(shù)中發(fā)揮了重要的作用；同時(shí)由于其獨(dú)特的高溫性能、耐磨和耐腐蝕等性能而使其成為發(fā)展陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)、磁流體發(fā)電及核反應(yīng)裝置等高科技產(chǎn)品的重要材料，但由于其嚴(yán)重的脆性而使其無法做成復(fù)雜的和承受沖擊載荷的零件。因此，必須采取連接技術(shù)來制造復(fù)雜的陶瓷件以及陶瓷和金屬的復(fù)合件。這就涉及到陶瓷與陶瓷以及陶瓷與金屬的焊接問題。早在本世紀(jì)30年代，在電子管的制造中已成功地采用了陶瓷-金屬的封接技術(shù)，這實(shí)際上應(yīng)是一種用密封管子的釬焊。但它以達(dá)到密封為主要目的，因此該技術(shù)并不一定能滿足工程中受力要求同的陶瓷與金屬復(fù)合件的焊接。近二十多年來隨著工程陶瓷的開發(fā)和應(yīng)用，如汽車工業(yè)中陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和開發(fā)，大大地推動(dòng)了陶瓷焊接技術(shù)的發(fā)展。我國在50年代末開始研究電子管制造中的陶瓷-金屬封接技術(shù)，但作為工程上應(yīng)用的陶瓷受力件的焊接是在80年代后期，為適應(yīng)絕熱或無冷發(fā)動(dòng)機(jī)研制的需要而發(fā)展起來的，并已取得了較大的進(jìn)展。  

2．技術(shù)關(guān)鍵  

    不論陶瓷與金屬焊接，還是用金屬填充材料焊接陶瓷與陶瓷時(shí)都存在陶瓷/金屬界面的結(jié)合問題。由于陶瓷與金屬在電子結(jié)隊(duì)晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱物理性能以及化學(xué)性能等方面存在著明顯的差別，因此要實(shí)現(xiàn)陶瓷/金屬界面的冶金結(jié)合是非常困難的；用常規(guī)的焊接材料和工藝幾乎無法獲得可靠的連接，尤其是熔化焊。因?yàn)橐恍┨沾桑ㄈ鏢iC、Si3N4、BN）在熔化前就升華或分解，另一些陶瓷（如MgO）熔化時(shí)迅速蒸發(fā)，其他能熔化的陶瓷，也很難與金屬熔合在一起形成組織和性能滿意的接頭。到目前只有個(gè)別用熔化焊方法焊接氧化物陶瓷的報(bào)道，如用電子束將Mo、Nb、W或可伐合金絲熔合到Al2O3絕緣體上以及用激光焊接Al2O3等?，F(xiàn)有的較成功的焊接方法都是在陶瓷不熔化的條件下進(jìn)行的，如研究得最多的釬焊與擴(kuò)散焊。用這些方法焊接陶瓷時(shí)的關(guān)鍵問題為：  

（1）界面反應(yīng)問題 無論是擴(kuò)散焊還是釬焊，陶瓷/金屬界面的結(jié)合機(jī)制都屬于化學(xué)結(jié)合。陶瓷釬焊時(shí)釬料熔化后能否與陶瓷潤濕也取決于界面反應(yīng)；沒有界面反應(yīng)就不能潤濕，不能結(jié)合。因此，釬焊時(shí)陶瓷/金屬的界面反應(yīng)不僅是產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合的必要條件，而且也是潤濕陶瓷的先決條件。例如用常規(guī)的Ag-Cu釬料釬焊Si3N4時(shí)，既不潤濕又不結(jié)合；而用含有活性元素Ti的Ag-Cu-Ti釬料釬焊時(shí)，潤濕和結(jié)合都很好。根據(jù)熱力學(xué)條件，活性元素的選擇原則是以其與陶瓷之間反應(yīng)的自由能變化ΔG0為準(zhǔn)則。在擴(kuò)散焊時(shí)為獲得好的界面結(jié)合，金屬也必須對(duì)陶瓷具有活性，例如Si3N4與Al的焊接；若金屬的活性很差時(shí)，須采用加活性中間層的辦法。  

（2）界面兩側(cè)的熱-力學(xué)的匹配問題 由于陶瓷和金屬之間的熱膨脹系數(shù)相差很大，因此由焊接溫度冷卻下來后會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，降低了接頭的斷裂強(qiáng)度。甚至開裂。目前主要的解決辦法是在陶瓷和金屬之間加中間層。作為中間層的金屬有兩類：①熱膨脹系數(shù)小的金屬；②屈服點(diǎn)σs和彈性模量E低的軟金屬。但通常二者是相互矛盾的。軟金屬（如Cu）的熱膨脹系數(shù)都很大，而膨脹系數(shù)小的金屬（如W、Mo）的σs、E均較大。通過有限元計(jì)算和拉伸試驗(yàn)的結(jié)果，說明用軟金屬Cu作中間層比用低熱膨脹系的W、Mo作中間層的降低熱應(yīng)力效果好，而且所得接頭的抗拉強(qiáng)度高。如同時(shí)采用這兩類材料的復(fù)合中間層則效果更好。  

3．幾種焊接方法的比較  

    根據(jù)前面的分析，熔化焊不宜于陶瓷的焊接。固相擴(kuò)散焊和釬焊較適合于陶瓷的焊接，并且得到了應(yīng)用，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷增壓器和陶瓷挺柱等都是用擴(kuò)散焊和釬焊焊接的陶瓷與金屬的復(fù)合件。釬焊陶瓷除了活性釬料法外，還有一種與常規(guī)釬料配合應(yīng)用的陶瓷表面金屬化法。這種方法發(fā)展較早，主要用于電子管的封接。它的缺點(diǎn)是工藝相當(dāng)復(fù)雜。固相擴(kuò)散焊的******優(yōu)點(diǎn)是避免了金屬對(duì)陶瓷的潤濕問題。但它要求整個(gè)焊接界面必須保持緊密接觸，因此對(duì)界面的加工精度要求很高，不適宜于大面積和復(fù)雜界西的焊接。釬焊主要受潤濕性的限制很大，但它對(duì)焊接面精度的要求較低，適合大面積和復(fù)雜界面的焊接。此外，在陶瓷的固相焊接方法中除了擴(kuò)散焊外還有摩擦焊和微波焊等，但這些方法都不成熟，且存在很多缺點(diǎn)，例如摩擦焊是在瞬時(shí)內(nèi)施加很大的壓力通過大變形量來達(dá)到結(jié)合的，這對(duì)硬脆的陶瓷材料很難達(dá)到；微波焊接是利用陶瓷吸收微波的特點(diǎn)來進(jìn)行加熱和擴(kuò)散連接，因此不適用于自由和金屬的焊接。  

4. 發(fā)展前景  

    關(guān)于陶瓷焊接的研究數(shù)量很多，目前除對(duì)一些理論問題，如界面反應(yīng)、內(nèi)應(yīng)力數(shù)值模擬等須進(jìn)一步深入研究外，擬將重點(diǎn)放在實(shí)用化方面。其中主要問題為：  

1）為充分發(fā)揮陶瓷耐高溫的特性，必須解決接頭的高溫性能。  

2）目前的試驗(yàn)都是采用小試樣，內(nèi)應(yīng)力問題不很突出，在大面積和復(fù)雜零件的焊接時(shí)，陶瓷前開裂和低應(yīng)力破壞是一個(gè)嚴(yán)重問題，必須進(jìn)步研究降低內(nèi)應(yīng)力的辦法。  

3）目前的陶瓷焊接主要都在真空中進(jìn)行，效率低、成本高，必須研究非真空的高效低成本焊接方法。  

其中1）、2）兩個(gè)問題是關(guān)鍵，而且二者密切相關(guān)，又相互矛盾。從提高接頭使用溫度出發(fā)應(yīng)采用高溫釬料和耐高溫的中間層，這是目前普遍采用的辦法，但帶來了很大的負(fù)面作用，即提高了焊接內(nèi)應(yīng)力。從降低內(nèi)應(yīng)力出發(fā)，應(yīng)盡量降低焊接溫度，采用低溫釬料和軟金屬的中間層，但限制了接頭的使用溫度。為解決好這對(duì)矛盾，必須研究能在低溫焊接，高溫使用的特殊材料和特殊工藝。低熔點(diǎn)過渡液相擴(kuò)散焊或低熔點(diǎn)釬料的擴(kuò)散釬焊都是很有吸引力的解決辦法；另外，可以采用陶瓷與金屬的高溫梯度材料來解決高溫焊接時(shí)的接頭內(nèi)應(yīng)力問題以及采用非晶態(tài)釬料或中間層來降低釬焊溫度和擴(kuò)散焊溫度。  

  此外，陶瓷在焊接件的可靠性評(píng)定也是一個(gè)很重要的問題。因?yàn)樘沾墒谴嘈圆牧?，因此一旦含有焊接微裂紋或內(nèi)應(yīng)力水平過高時(shí)，使用過程中發(fā)生脆性斷裂將是非常危險(xiǎn)的。