非氧化物陶瓷连接技术的进展

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1、非氧化物陶瓷连接技术的进展摘要：非氧化物陶瓷作为高温结构材料其应用前景非常广阔，但非氧化物陶瓷自身及其与金属的连接问题制约了它的工程使用。与氧化物陶瓷的连接相比，非氧化物陶瓷的连接目前基本上处于基础性研究和实验研究阶段。本文概述了近些年用于非氧化物陶瓷连接的几种方法及其工艺特点，其中包括：活性金属钎焊法、热压扩散连接法、过渡液相接法、反应成型连接法、自蔓延高温合成（SHS0焊接法、热压反应烧结连接法和直接敷铜（DBC）法。Si3N4,SiC,AIN等非氧化物陶瓷一般都具有耐高温、硬度高、抗磨损、耐腐蚀、高温强度高等优良特性，是汽车、机械、冶金和宇航等部门开发新技术的关键材料，此外，一些非氧

2、化物陶瓷除用作结构陶瓷外，在真空电子器件上也有独特的优势，例如：掺BeO的SiC，其导热系数高于纯铝，电阻率接近Al2O3，是IC基片的良好材料，BN陶瓷具有异常低的介电常数；AIN陶瓷无毒且有既有较高的热导率，这些性能是一般氧化陶瓷所不能比拟的。因而近些年非氧化物陶瓷的研究、开发和应用发展很快。由于陶瓷材料的脆性和冲击韧度低，耐热冲击能力弱，因而其加工性能差，制造尺寸大而形状复杂的零件较为困难，通常需要与金属材料组成复合结构来应用或通过陶瓷之间的连接技术来制取形状复杂的零部件。陶瓷-陶瓷、陶瓷-金属之间的连接技术经过几十年来的研究，相继开发出了多种连接方法，在这些连接方法中，针对氧化物的

3、比较多，对于非氧化物陶瓷的连接应用较少，比较成熟的主要有活性金属钎焊法和热压扩散连接，此外自蔓延高温合成焊接法、过渡液相连接法、热压反应烧结连接法等也有相应报道，本文就近些年来用于非氧化物陶瓷链接中一些方法作一概述，重点介绍各种连接工艺及其特点。1陶瓷材料的焊接性问题由于陶瓷材料与金属材料化学键结构根本不同，加上陶瓷本身特殊的物理化学性能，因此，无论是与金属连接还是陶瓷自身的连接都存在不少的特点与难点，这些包括：(1)陶瓷材料的配位键主要有离子键和共价键2种，都非常稳定，因而陶瓷很难被融化的金属所湿润。（2）陶瓷的线膨胀系数小，与绝大部分金属的线膨胀系数相差较大，通过加热连接陶瓷与金属时，

4、接头中会产生残余应力，削弱了接头的力学性能。(3)陶瓷的热导率低，耐热冲击能力弱，集中加热时尤其是在高能密度热源进行熔焊时很容易产生裂纹，因此，在焊接时应尽可能的减小焊接部位及附近的高温梯度，并控制加热及冷却速度。（4）陶瓷的熔点高，硬度和强度高，不容易变形，陶瓷的扩散连接要求被连接件表面非常平整与清洁。（5）大部分陶瓷的导电性很差或基本不导电，很难采用焊接方法进行连接，一般需要采取特殊的措施。由此可见，陶瓷的连接有两个主要问题需要解决，一是陶瓷与金属的湿润问题；另一个是应力的缓解问题。对于前一问题可以通过陶瓷金属化或利用活性金属元素加以解决，对于后一问题，通常采用添加中间层的方法。中间层

5、的选择依据有两种观点，一是采用塑料中间层，一是采用线膨胀系数与陶瓷相应的中间层。2非氧化物陶瓷的连接方法相对于氧化物陶瓷的链接，非氧化物陶瓷的连接仍处于研究阶段，但其连接方法已是多种多样，因非氧化物陶瓷最重要的应用领域是制取高温切应力大的环境下工作的零部件，因此下面介绍的各种连接方法主要针对作为高温结构件使用的非氧化物陶瓷。2.1活性金属钎焊法非氧化物陶瓷的钎焊连接，关键是改善陶瓷与钎焊料的湿润性，根据改善湿润性的不同，活性金属钎焊法连接非氧化物陶瓷又可分为两类，一类是先对陶瓷进行金属化，然后再钎焊连接；另一类是直接利用含有活性金属元素的钎焊了进行连接。目前，钎焊了中最常用的活性金属是过渡

6、元素Ti，因其最外层电子未被填满，活性高，另外，Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W也可作为活性金属元素。在这些元素中，Zr和Hf的活性较高，但Ta,Mo,W属难熔金属，与SiC反应差。当前用于非氧化物陶瓷金属化的配方和工艺也比较多，最常见的有烧结金属粉末法、气相沉积法等，下面分别加以简单介绍。2.1.1烧结金属粉末法金属化烧结金属粉末法是现代陶瓷金属化的基础，配方的选择是工艺的关键，对于不同种类的陶瓷金属化，其配方也各异，以SIc为例，SiC陶瓷表面经研磨，清洗处理后可采用Mo,W,Ti等金属粉末在非氧化性气氛中金属化，对于Si3N4陶瓷金属表面金属化，可选用50Ni-17Cr-7

7、Si-C的回合粉制成膏剂，涂敷后在真空度为10-2Pa,1200℃温度下进行烧结。2.1.2气相沉积法金属化气相沉积法金属化法分为物理镀膜法、化学镀膜法和等离子体反应法3大类。对于SiC,Si3N4等非金属氧化物陶瓷与金属的连接，大多数采用PVD法实行表面金属化。以Si3N4为例，将Si3N4母材研磨加工，表面粗糙度Ra为0.17~0.48um,用电子束法蒸渡Ti膜，膜厚1um，再蒸渡Cu膜，膜厚1um，用粘结法测量剥离