陶瓷和金属的连接

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1、陶瓷和金属的连接姓名：王玉琪学号：1130420125一·为什要将陶瓷与金属连接在一起陶瓷材料具有许多传统材料不具备的优点。陶瓷材料主要有氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化硼、氮化硼等，材料的性能特点主要是硬度高、耐高温、耐磨、大部分材料绝热绝缘性好、比重小于钢铁，主要用于工程机械配套需要耐高温、耐磨的场合，如航天工业高速摩擦件、各种密封件、泵和压缩机的柱塞和缸套、高级轴承等。但是陶瓷材料脆、不耐冲击、抗拉及抗弯曲较差，而金属材一般有很高的机械强度、韧性好、较能耐高温、导电传热性好，广泛应用于机械工程中关键

2、零部件和一切重工业中的大型构件，在工业生产中有广泛的应用。陶瓷和金属材料的连接，可以很好地使两种材料的性能得到更好的发挥，如将CC与TiAl连接起来应用在航空航天领域中的热端部件，如制成火箭发动机喷管构件等，可以大大减轻构件重量，提高火箭发动机推重比。因而，研究陶瓷和金属两种材料简便、高效、节能的连接方法很有工业应用前景。二·陶瓷与金属连接特点金属和陶瓷是两类完全不同的材料。它是把两种材料性能差异很大的零件采用合适的工艺过程连接成为一个整体。由于陶瓷和金属在物理性质、化学键型、力学性质和微观结构等方面差异很大

3、,使用一般的方法是很难按照需求把它们连接到一起的。陶瓷与金属连接过程中，绝大多数金属与陶瓷存在较大的热失配,在加热过程中连接陶瓷与金属时,由于接头处很容易产生残余应力,使接头的力学性能被削弱;熔化的金属很难润湿陶瓷;陶瓷耐热冲击力弱,有较低的热导率,加热时很容易产生裂纹,所以应该控制加热和冷却速度并减小焊接区域的温度梯度。金属和陶瓷的焊接属于异种材料的焊接，一般需要添加中间层，中间层的使用对焊接接头性能影响很大。焊接中间层在金属和陶瓷的连接连接中的主要作用包括：1改善母材表面接触，润湿母材；2可以抑制夹杂物的

4、形成，促进其破碎或分解；3改善冶金反应，避免或者减少形成脆性金属间化合物和有害的共晶组织，优化接头显微结构从而提高接头强度；4可以降低焊接温度、减少扩散焊接时间，从而控制接头应力、提高接头强度；5减小金属和陶瓷间因力作用，改善因膨胀系数不同造成的变形。实验表明，添加不同厚度的中间层对接头强度的影响不同。ZrB2-SiC陶瓷和Ni的扩散焊实验中发现：中间层为固态Ni和1mm泡沫Ni会发生脆性断裂；2和4mm厚中间层时，外加载荷应力达到塑性应变，随后残余阻力导致接头失效；6mm中间层有很好的塑性，但由于泡沫金属的

5、多孔性导致接头刚度较低。三·金属与陶瓷的扩散焊扩散焊是压焊的一种，它是指在相互接触的表面，在高温压力的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成整体的可靠连接过程。影响扩散焊质量的焊接工艺参数因素很多，主要有焊接温度、保温时间、焊接压力等，合理控制影响因素保证焊接接头力学性能，一直是众多研究者关注的焦点。焊接温度是促进原子扩散连接的最主要因素。扩散系数D与加热温度T成指函数关系。提高加热温度能够提高原子，分子的能量，对消除空隙起着决定性作用。温度还影响被焊材料原子的扩

6、散行为及材料的屈服强度，但温度过高，接头强度有所降低。保温时间是影响扩散焊接接头质量的重要因素。保温时间过短，元素扩散不能充分进行，严重时会导致焊缝中残留许多孔洞，焊接接头强度不高；但是，保温时间过长，会使焊件晶粒粗大，降低力学性能。在焊接过程中，扩散原子走过的平均距离与扩散时间的平方成正比，因此，必须选择合适的保温时间，得到一定宽度并且组织结构优良的扩散层，从而得到性能良好的焊接接头。焊接面微观存在许多凸起，凸起程度主要取决于表面粗糙度。在焊接过程中常施加压力使焊接表面微观凸起部分产生塑性变形，激活界面区原

7、子，消除界面孔洞，使焊接表面接近到原子间结合力起作用的距离之内来完成焊接面上的原子间结合。近年来不断开发出了一些新的扩散焊接方法，如高压电场下的扩散焊，该方法借助于高压电场（1000V以上）及温度的共同作用，使陶瓷内电介质电离，在与金属邻近的陶瓷材料内形成了一薄层充满负离子的极化区。此外，由于材料表面的显微不平度，陶瓷与金属间只有个别小点相接触，大部分地区形成微米级的间隙。集结在微小间隙两侧的离子使这些地区的电场急剧升高，此外加电场可增加3～4个数量级。由于异性电荷相吸，使被连接的两种材料相邻界面达到紧密接触

8、（其间距小于原子间距），随后借助于扩散作用，使金属与陶瓷得以连接。除了研究改变工艺参数和结构外，还可以通过在焊接前后适当添加一些辅助工艺能更好地实现焊接，如加氢处理、激光预焊芯板夹层等。四·陶瓷与金属的自蔓延高温合成焊接法自蔓延高温合成技术也称为燃烧合成技术，是由制造难熔化合物（碳化物、氮化物和硅化物）的方法发展而来的。在这种方法中，首先在陶瓷与金属之间放置能够燃烧并放出大量生成热的固体粉末，然后用