陶瓷連接技術(shù)及其應(yīng)用

石宇皓，石成杰，吳炳英，林盼盼，林鐵松，何鵬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

陶瓷連接技術(shù)及其應(yīng)用

石宇皓，石成杰，吳炳英，林盼盼，林鐵松，何鵬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

金屬與陶瓷的連接逐漸成為現(xiàn)代制造業(yè)中重要的加工手段，連接技術(shù)的發(fā)展使陶瓷材料可以與傳統(tǒng)的金屬材料組合使用，并且二者可以互相彌補彼此的不足。此外，由于使用環(huán)境越來越苛刻，對連接接頭的耐高溫性能以及機械性能均提出了更高的要求，因此更加需要大力發(fā)展連接工藝。介紹了幾種主要的陶瓷連接技術(shù)，包括活性金屬釬焊、高溫活性釬焊、超聲輔助陶瓷連接、反應(yīng)空氣釬焊、玻璃連接、過渡液相連接和部分過渡液相連接，對各種陶瓷連接技術(shù)的機理進行了相應(yīng)闡述，同時對緩解陶瓷/金屬連接接頭殘余應(yīng)力常用的中間層法進行了重點論述。最后，對近年來陶瓷連接技術(shù)和發(fā)展趨勢以及應(yīng)用做出了展望。

陶瓷/金屬；連接機制；連接技術(shù)；殘余應(yīng)力

先進的材料科學(xué)技術(shù)是發(fā)展現(xiàn)代高端制造業(yè)的基礎(chǔ)，對于提升國防軍事實力、提高產(chǎn)品市場競爭力、改善人民生活都有十分重要的作用，所以世界各國都十分重視先進材料的開發(fā)和研究，使之處于優(yōu)先發(fā)展地位。陶瓷材料具有許多優(yōu)異的性能，如耐高溫、耐磨損、高強度等[1—4]，在航天、機械、能源等諸多領(lǐng)域[5—9]都有著重要應(yīng)用。陶瓷材料的塑性較低、韌性差、耐沖擊性差，對于尺寸較大、形狀復(fù)雜的陶瓷零件，難以加工成形[10]，所以需要研究陶瓷間的互連技術(shù)用以制備復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)。另一方面，由于陶瓷在單獨使用過程中抵抗熱應(yīng)力和沖擊載荷的能力差，而金屬的強韌性與高塑性可以彌補陶瓷材料固有的缺點，采用特定的連接技術(shù)制備陶瓷-金屬復(fù)合構(gòu)件，可以得到兼具陶瓷材料與金屬材料兩者優(yōu)點且能滿足現(xiàn)代工程需要的結(jié)構(gòu)部件[11—13]。

無論是用連接介質(zhì)實現(xiàn)同種陶瓷連接，還是陶瓷與金屬連接，都涉及異質(zhì)連接問題。異質(zhì)連接過程需要同時考慮兩者的物理相容性和化學(xué)相容性[14]，因此陶瓷的高可靠連接仍存在很多難點，研究陶瓷連接技術(shù)十分必要。到目前為止，陶瓷連接出現(xiàn)了很多方法，如機械連接、粘接、熔化焊、釬焊、擴散焊等。由于陶瓷材料的熔點較高且脆性大，熔化焊并不適于用來連接陶瓷材料。釬焊時，母材不熔化，由釬料熔化后潤濕被連接的材料表面，經(jīng)凝固后形成接頭。由于母材在連接過程中不熔化，因此釬焊在連接陶瓷材料時有其獨特的優(yōu)點。這使得釬焊與擴散釬焊成為陶瓷連接中最常用、最可能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化的連接方法。此外，陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)差異較大，連接接頭將存在較大的殘余應(yīng)力。如何緩解連接接頭的殘余應(yīng)力也是一個重要的研究課題，因此，文中主要論述陶瓷連接過程中常用的幾種釬焊、擴散釬焊方法及連接接頭殘余應(yīng)力的緩解技術(shù)。

1 陶瓷連接方法及機理

1.1 機械連接與粘接

機械連接是一種通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用機械應(yīng)力實現(xiàn)金屬/陶瓷或陶瓷/陶瓷連接的方法，例如螺栓連接[15]、熱過盈連接[16]，但是其連接處應(yīng)力較大，不常用于高溫場合，使用范圍有限。

粘接是以膠粘劑（多為有機粘接劑）為連接介質(zhì)，通過適宜的粘接工藝，將性質(zhì)差異較大的兩個或多個構(gòu)件或材料，結(jié)合成為一個機械整體的連接方法[17]。在全碳化硅望遠鏡的設(shè)計和制造過程中，曾使用環(huán)氧樹脂粘接形成大面積鏡片[15]。由于機械連接和粘接的適用范圍小，不適用于高溫、高強度的場合，文中不做詳細介紹。

1.2 間接釬焊

陶瓷釬焊的難點之一就在于釬料合金難以潤濕陶瓷表面，最為直接的方法就是對待連接陶瓷進行表面改性，在陶瓷表面形成金屬化層，從而將陶瓷/陶瓷和金屬/陶瓷的連接均轉(zhuǎn)化為金屬/金屬之間的連接，從而直接利用現(xiàn)有工藝進行連接。由于此法需要先在陶瓷表面形成金屬化層，又稱此法為兩步法或間接釬焊。目前的陶瓷表面金屬化方法主要有磁控濺射、氣相沉積、Mn-Mo法、離子注入等[18]。兩步法工藝繁瑣，且強度受到金屬化層黏附力的限制，不能達到很高的程度，文中也不做詳細介紹。

1.3 活性釬焊

為了減少陶瓷金屬化這一步驟，同時提高接頭強度，研究人員開發(fā)出了活性釬焊技術(shù)?；钚遭F焊又稱直接釬焊，與間接釬焊不同，直接釬焊不需要采用金屬化這一中間步驟，而是利用含有Ti, Zr, Hf, Cr, V等活性元素金屬釬料直接釬焊陶瓷。這些活性元素可以直接與陶瓷表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，熔化的釬料可以在反應(yīng)產(chǎn)物表面潤濕，形成冶金接合。由于釬料中的活性元素化學(xué)性質(zhì)活潑，為避免在高溫下與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以活性釬焊必須在真空中或者惰性氣體保護下進行[19—20]。例如，在含釩活性釬料和 C/C復(fù)合材料或Cf/SiC復(fù)合材料的反應(yīng)界面處檢測到V-C化合物。V-C層的形成在陶瓷或陶瓷復(fù)合材料的接合中起著重要作用[21]。

Ti作為一種最常用的活性釬料，在陶瓷與金屬的活性釬焊中起到重要作用。1988年 Iseki和 Yano[22]在Ag-Cu共晶釬料中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Ti，就能使釬料在無壓燒結(jié)SiC陶瓷表面的浸潤角小于20°。從此，AgCuTi便成為一種陶瓷/金屬連接的重要釬料。以Ti為核心，至今已發(fā)展了Ag基、Cu基、Au基、Ni基和Sn基活性釬料。Ti是連接Al2O3, Si3N4, SiC的重要釬料，因為熔融釬焊中的 Ti在釬焊溫度下遷移到陶瓷的表面以形成相對簡單的化合物，如 TiO,TiN和 TiC。丁敏等[23]選用三元系釬料AgCuTi對高純Al2O3與高純金屬Nb進行活性釬焊，通過改變Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以獲得不同的接頭性能。研究結(jié)果表明，當(dāng)Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、釬焊條件為850 ℃/20 min時，接頭抗剪切強度達到最大值 100 MPa。應(yīng)用AgCuTi釬料也已成功焊接 Cf/SiC復(fù)合材料[24]和Si3N4[25]。

除Ti之外，Hf, V和Zr都與陶瓷具有一定程度的化學(xué)相互作用，Hf和Zr分別能形成與TiO化合物類似的HfO和ZrO化合物，而V元素則能形成VN反應(yīng)物。Loehman等人[26]使用59Ag-40Cu-1Hf（原子分?jǐn)?shù)）釬料對Al2O3進行釬焊連接，并對接頭進行了TEM以及X-ray分析。將樣品加熱至1000 ℃并保溫30 min，形成界面的形貌見圖 1，可以看出，Hf與Al2O3反應(yīng)形成HfO2。此反應(yīng)產(chǎn)物是不連續(xù)的、厚度為100 nm的HfO2層，與Al2O3顆粒結(jié)構(gòu)形成緊密互鎖，進而實現(xiàn)陶瓷與金屬的連接。Loehman等人[27]還使用Hf-Ag和Zr-Ag兩種合金分別焊接Al2O3陶瓷。結(jié)果表明，在Zr-Ag合金與陶瓷界面處，存在約5 μm厚的反應(yīng)區(qū)，其分布相對均勻且連續(xù)。如圖2所示，分析可知反應(yīng)區(qū)含有 Zr, Ag和 O元素。在Hf-Ag/Al2O3界面處，則產(chǎn)生了明顯的三相，分別是Ag, HfO2和含 Al相，在Al2O3表面，產(chǎn)生了亞微米HfO2顆粒鑲嵌于其中。Zhang等[28]使用 V基釬料對Si3N4進行釬焊。他們使用了 58.7Au-36.5Ni-4.8V和55.5Au-34.5Ni-10.0V（原子分?jǐn)?shù)）兩種釬料來釬焊Si3N4陶瓷。結(jié)果表明，Si3N4基體與合金之間的界面形成了厚度為4 μm的VN反應(yīng)層。隨著釬焊溫度或V含量的增加，VN反應(yīng)層的厚度增加。當(dāng)使用58.7Au-36.5Ni-4.8V釬料合金在1423 K溫度下釬焊30 min時，達到最大接頭彎曲強度242 MPa。Xiong等[29]首先使用 BCo合金釬料對 SiC進行連接。在SiC/BCo釬焊界面處形成典型的帶狀反應(yīng)結(jié)構(gòu)，這對焊接接頭強度不利。在Co基釬料中增加V以后，添加的元素V通過與Co基合金和SiC內(nèi)的碳結(jié)合而參與界面反應(yīng)，這在消除界面反應(yīng)層的周期性帶狀結(jié)構(gòu)中起重要作用。當(dāng)使用PdNi基合金進行連接時，仍然產(chǎn)生了與Co基釬料相同的反應(yīng)帶狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)在其中加入V元素后，有效控制了界面反應(yīng)帶的形成。

圖1 Ag-Cu-Hf/Al2O3接頭界面TEM顯微圖像[26]Fig.1 TEM micrographs of Ag-Cu-Hf / Al2O3 interface

圖2 Zr-Ag/Al2O3接頭界面SEM顯微圖像[27]Fig.2 SEM micrograph of Zr-Ag/Al2O3 interface

Ni基合金釬料也是金屬活性釬焊中的常用材料，特別是 Ni-Cr-Si釬料合金經(jīng)常用于航空航天和發(fā)電行業(yè)。Mcdermid[30]等人在SiC/Inconel 600超合金釬焊實驗中，使用Ni-Cr-Si釬焊合金作為填充材料。發(fā)現(xiàn)熔融釬焊中的Ni與SiC劇烈反應(yīng)，并導(dǎo)致SiC的嚴(yán)重降解。于是Xiong等[31]采用FeCoNi釬料焊接SiC和Ni基合金，相較于傳統(tǒng)的Ni基釬料，Kovar合金有著明顯的優(yōu)勢。在釬焊過程中，層間Ni的一部分溶解在熔融釬焊合金中，阻礙了SiC與釬焊合金之間的有害反應(yīng)。使用 FeCoNi釬料進行釬焊，形成Kovar/W/Ni的三重夾層來進行SiC/GH3044連接，接頭強度達到 62.5～64.6 MPa，比 Ni/W/Ni接頭強度(6 MPa)提高900%以上。

除了單一使用上述活性釬料之外，將多種活性釬料混合使用，達到更好的釬焊效果是近年來活性釬焊的發(fā)展趨勢。Zou等[32]在氬氣氣氛下采用Ti40Zr25Ni15Cu20組成的無定形活性釬料焊接 Si3N4。研究了釬焊溫度和保溫時間對接頭強度和界面微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，釬焊時間為120 min時，焊接強度隨釬焊溫度的升高先提高后降低，溫度為1323 K時，接頭強度達到最大值160 MPa。在釬焊溫度為1323 K時，釬焊時間對接頭強度的影響與溫度的影響相似。

1.4 高溫活性釬焊

高溫活性釬焊是活性釬焊中較重要的一種，因此文中將做單獨介紹。由于現(xiàn)在很多陶瓷/金屬連接的結(jié)構(gòu)件需要在高溫下使用，所以需要更加耐高溫的連接接頭。提高連接接頭耐高溫性能的重要方法就是改善釬料的性能，使其能夠在高溫條件下使用，所以在活性釬焊釬料的基礎(chǔ)上，又提出如下要求[33]：① 釬料的熔化溫度在1100 ℃以上；② 釬料的熔化溫度范圍小，最好是是共晶或近共晶成分；③ 釬料與陶瓷有良好的冶金相容性，并且二者的力學(xué)性能匹配良好；④ 高溫條件下，釬焊接頭具有良好的抗氧化性。

高溫活性釬料同樣含有活性元素Ti, Zr等，高溫活性釬料分類方法很多，但是從含有元素的種類上可分為一元高溫活性釬料、二元高溫活性釬料、多元高溫活性釬料。一元高溫活性釬料能直接釬焊陶瓷并形成有效的連接，但這種釬料的缺點是硬度高、脆性大，釬焊后接頭處殘余應(yīng)力過大，造成接頭強度低，因此應(yīng)用較少[34—35]。二元系釬料以CuTi, NiTi為主，這類釬料釬焊溫度較高，可在1200～1800 ℃的范圍內(nèi)使用。最常用的是三元系或者多元系釬料，其中以 Au基、Co基、Pd基釬料為代表。Au, Co, Pd的熔點分別為1064, 1492, 1554 ℃，都屬于高熔點金屬，在釬料中起到提高熔點的作用。

陳波等人[36]采用AgCuTi活性釬料對Al2O3進行金屬化處理，然后用Au基釬料Au-Ni和Au-Cu分別對Al2O3陶瓷進行釬焊，獲得耐高溫接頭。釬焊溫度為980 ℃時，Au-Ni和Au-Cu釬料所獲連接接頭的抗剪切強度分別為95.5 MPa和102.3 MPa。Voytovych[37]等人使用Au-Ni釬料對 ZrB2陶瓷進行了釬焊連接，研究了 Au-40%Ni合金對 ZrB2的潤濕性，釬焊溫度為1170 ℃。如圖3所示，在合金/陶瓷界面處形成了5～10 μm 的 Ni2B 反應(yīng)層。

圖3 Au-40%Ni/ZrB2界面的SEM顯微照片[37]Fig.3 SEM micrograph of Au-40% Ni/ZrB2 interface

陳波等[38]使用Co基多元釬料Au-Pd-Co-Ni-V實現(xiàn)了AlN陶瓷的良好連接（見圖4），形成了靠近AlN基板的擴散層，元素N和V富集在反應(yīng)層中，表明元素V強烈地擴散到所連接的AlN的表面，V作為活性成分優(yōu)先參與界面反應(yīng)。AlN/AlN連接接頭可耐受1170 ℃的高溫，室溫彎曲強度為162.7 MPa。Zhang等人[39]使用 Co基多元釬料 Ti45Co45Nb10對碳纖維增強SiC(CfSiC)復(fù)合材料和Nb-1Zr合金進行釬焊連接。結(jié)果表明，在Cf/SiC/釬焊界面形成了連續(xù)反應(yīng)層(Ti,Nb)，在含有 CoNb4Si相的釬焊接縫中觀察到TiCo和Nb相。當(dāng)釬焊工藝為1280 ℃/10 min 時，獲得了 242 MPa的最優(yōu)平均剪切強度。接頭的高溫剪切強度在 800 ℃和 1000 ℃時分別達到 202 MPa和135 MPa。

圖4 Au-Pd-Co-Ni-V釬料合金在1170 ℃下保溫10 min釬焊AlN/AlN的接頭SEM圖像[38]Fig.4 SEM image of the joint of AlN / AlN brazed with Au-Pd-Co-Ni-V solder alloy at 1170 ℃ for 10 min

Liu等人[40]使用 Pd基三元系釬料 Cu-Pd-Ti對Si3N4進行釬焊連接，釬料熔化溫度為1150 ℃。因為Pd的熔點非常高，如果所采用的Pd箔較厚(100 μm)，則可能導(dǎo)致Pd熔融不足，使液態(tài)合金的流動性和擴散性較差，分布不均勻，這會限制液體合金在陶瓷表面的潤濕和擴散，所以降低Pd箔的厚度有利于提高接頭的彎曲強度。Durov等人[41]使用Cu-Pd-Ti-Zn四元系釬料成功焊接氧化鋯與可鍛鑄鐵，焊接溫度為1100 ℃，接頭平均強度達到156 MPa。Asthana等人[42]使用Pd-Co釬料將Si3N4和 Cu包覆Mo合金焊接在一起，釬焊溫度為1200 ℃，接頭顯微形貌見圖5。

圖5 Si3N4/Cu包覆Mo接頭SEM顯微形貌[42]Fig.5 SEM micrographs of Si3N4/Cu coated Mo joints

以上兩種活性釬焊技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)較為良好的陶瓷/金屬連接，但是這一方法需要加熱到較高溫度(＞800 ℃)，且需要嚴(yán)苛的真空環(huán)境或者惰性氣氛保護。一方面，高溫、高真空的條件大大提高了技術(shù)成本，不利于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用；另一方面在嚴(yán)苛的高溫條件下難以獲得令人滿意的陶瓷連接效果[43]。在真空中、氧氣含量有限的惰性氣體環(huán)境中或者還原氣體中進行釬焊時，這些環(huán)境會造成不可逆的化學(xué)還原，導(dǎo)致許多電化學(xué)性質(zhì)活躍以及具有導(dǎo)電性的陶瓷基體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)或性能退化，包括各種鈣鈦礦、燒綠石以及穩(wěn)定的氧化鋯（如鈣做穩(wěn)定劑的氧化釔）[44—46]。為了解決這些問題，需要開發(fā)出新型的連接方法。一方面對于室溫應(yīng)用的產(chǎn)品，開發(fā)低溫的空氣連接技術(shù)；另一方面對于高溫應(yīng)用產(chǎn)品，例如SOFC，開發(fā)出耐高溫、抗氧化的連接技術(shù)。以下介紹幾種非真空的陶瓷連接技術(shù)。

1.5 超聲輔助的陶瓷連接

超聲的引入為界面反應(yīng)加入了新的能量，可以有效降低釬焊溫度。另一方面高強度超聲波在液態(tài)釬料中傳播時產(chǎn)生空化效應(yīng)，可以破壞金屬表面的氧化膜，并促進熔融填充金屬在基材上的潤濕性，從而大大提高接頭強度。超聲振動也可以減少晶粒尺寸和微觀偏析，提高均勻性，并修飾固體表面。超聲波輔助釬焊已被廣泛應(yīng)用于不同材料的連接[47—48]。

Chen等人[49]在620 ℃的空氣中利用超聲輔助作用，通過填充Al-12Si合金成功連接了SiC陶瓷，隨著超聲作用時間的不同，可以獲得剪切強度達到84～94 MPa的連接接頭，并且在超聲波輔助釬焊中，碳化硅表面由于加熱產(chǎn)生的 SiO2層不僅不會使Al-12Si對SiC陶瓷接頭的潤濕和粘合過程惡化，還可以在SiO2和Al-12Si之間形成更強的鍵。Ji等人[47]使用Zn-14wt.%Al合金作為填充金屬，在超聲的輔助下，成功地在 753 K的溫度下連接了α-氧化鋁和純銅，獲得了高達66 MPa的剪切強度。在超聲的作用下冶金反應(yīng)有明顯的增強，生成大量金屬間化合物、結(jié)晶氧化鋁和過度生長的聲坑，獲得金屬/陶瓷連接接頭，大大提高了連接強度。

1.6 反應(yīng)空氣釬焊

反應(yīng)空氣釬焊(Reaction Air Brazing, RAB)，即在空氣中進行而不需要惰性氣體或真空。反應(yīng)空氣釬焊一般使用貴金屬作為釬料基體，通過添加某些氧化物或其他物質(zhì)改變釬料性質(zhì)。這些氧化物在液態(tài)貴金屬中作為原位氧氣的緩沖區(qū)，能提高溶解氧的化學(xué)活性，以增強金屬在各種氧化物基體上的潤濕性[50]。盡管其他貴金屬如Au, Pt和Pd被認(rèn)為能夠承受氧化環(huán)境，但Ag卻因其具有足夠的熔點和較低的成本成為這種技術(shù)使用的一般釬料[51]。目前廣泛使用的 RAB釬料體系為Ag-Cu或Ag-CuO及其衍生體系。

Zhang等人[52]研究了 Ag-Cu釬料對雙相陶瓷透氧膜 Ce0.8Gd0.2O2-δ-NdBaCo2O5+δ(CGO-NBCO)的潤濕性隨Cu含量的變化，發(fā)現(xiàn)純Ag對CGO-NBCO雙相膜不潤濕，Cu的摩爾分?jǐn)?shù)分別為6.6%, 11.0%, 15.8%的Ag基合金釬料對CGO-NBCO雙相透氧膜潤濕良好。其潤濕機理為，Ag-Cu合金中的Cu在空氣氣氛下的高溫加熱過程中，先被氧化成Cu的氧化物，而后Cu的氧化物與CGO-NBCO雙相透氧膜發(fā)生反應(yīng)，生成復(fù)雜界面反應(yīng)層，改善了 Ag基合金釬料對CGO-NBCO雙相透氧膜的潤濕性能。Raju等人[51]使用 Ag-CuO釬料和 Ag-陶瓷顆粒釬料對致密Ce0.9Gd0.1O2-δ-La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ陶瓷(GDC-LSCF)與多種高溫合金（AISI 310S、Inconel 600和Crofer 22 APU）進行了連接實驗。結(jié)果表明，只有Ag-CuO釬料可以獲得無孔洞、無裂紋的焊點，且其氣密性可以從室溫保持到800 ℃。對于Ag-10wt.%CuO釬料連接的 GDC-LSCF/Crofer接頭其初始室溫剪切強度為91.1 MPa，經(jīng)800 ℃/24 h老化后仍保有88.3 MPa的剪切強度。Cao等人[53]對不同 CuO含量的 Ag-CuO釬料連接YSZ和Al2O3的效果進行了評估，發(fā)現(xiàn)填料合金組成對界面微觀形貌有重要影響。因為 CuO在Al2O3界面處優(yōu)先析出，所以隨著填料中CuO含量增加，連續(xù)的CuO和CuAl2O4層在Al2O3界面逐漸形成。當(dāng)Al2O3基體被CuO相完全涂覆時，剩余的CuO相將在YSZ界面沉淀。CuO的過量添加使大量的脆性相形成，顯著降低了接頭剪切強度。當(dāng)釬料組合物為Ag-8mol%CuO時，獲得約45 MPa的最大剪切強度。

基于 Ag-Cu氧化物的反應(yīng)空氣釬焊技術(shù)所形成的接頭，在高溫應(yīng)用中仍存在一些問題，其填充金屬暴露于還原氣體或雙重還原/氧化環(huán)境時會出現(xiàn)顯著的接合強度降低。Jin等人[54]研究了這一現(xiàn)象，將不同含Cu量的釬料連接的氧化鋁陶瓷接頭置于800 ℃的氫氣氛中100 h。由于填充金屬和氧化鋁基體之間的界面剝離，所有釬焊接頭均顯示出明顯的彎曲強度降低。強度和氣密性的降低速度與待連接材料和工作氣氛有關(guān)。對于反應(yīng)空氣釬焊YSZ/鋼接頭，在850 ℃的雙重氣氛中的老化將導(dǎo)致強烈的降解和氣密性的完全損失[55]；用于分離氣體的 LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ)接頭，可以獲得2000 h以上的連續(xù)工作時間[56]。除Ag-Cu體系外，有文獻報道了將Ag-V體系釬料用于反應(yīng)空氣釬焊[57]，雖然Ag-V2O5合金對于陶瓷基底的潤濕性令人滿意，但是使用Ag-V2O5釬焊合金獲得的釬焊強度較低，其原因還有待研究。

1.7 玻璃連接

玻璃具有與陶瓷相似的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，使玻璃可以在陶瓷表面潤濕良好，因此能夠與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或形成共晶等冶金反應(yīng)，而且玻璃具有比金屬密封劑更好的抗氧化和抗還原環(huán)境的能力。玻璃的 CTE與陶瓷相似，且可以通過改變其成分獲得最佳的CTE，從而最小化熱應(yīng)力，所以玻璃的相關(guān)性能適合于陶瓷，使玻璃成為與陶瓷連接的理想釬焊材料[58]。

Chen等人[59]研究了 Y-Al-Si-O-N氮氧化物玻璃在 Si3N4襯底上的潤濕性，發(fā)現(xiàn)Y-Al-Si-O-N玻璃的潤濕性隨著Y2O3/Al2O3的增加而提高。使用具有最佳潤濕性的玻璃作為釬料，可以在1550 ℃/1 h的釬焊條件下獲得良好的Si3N4接頭。較低的溫度會導(dǎo)致玻璃釬焊層與Si3N4的不完全接觸，而高于1600 ℃的溫度會導(dǎo)致 Si3N4接頭由于釬焊玻璃的完全排水而分離。Sun等人[60]研究了用SCHOTT公司的G017-393玻璃釬料連接Al2O3陶瓷過程中的表面處理和釬焊工藝參數(shù)對接頭性能的影響。研究表明，使用玻璃釬料實現(xiàn)陶瓷連接是有希望的，可以在適當(dāng)?shù)臈l件下獲得具有一定機械強度和氣密密封的接頭。另一方面，使用玻璃釬料的陶瓷粘合機理與傳統(tǒng)的焊接或粘合工藝不同，玻璃釬料層的密度和擴展面積在粘合強度方面起著重要的作用，而且大部分的玻璃釬料的釬焊溫度都比較高(＞1000 ℃)。不過，近年來隨著玻璃低溫化和無鉛化的發(fā)展，也有越來越多的綠色低溫玻璃釬料用于陶瓷連接。郭偉等通過對鉍酸鹽玻璃的成分進行改進，開發(fā)出了用于低溫釬焊質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 95%的Al2O3[58]和藍寶石[61]的玻璃釬料。在675 /30 min℃ 的條件下使用 40Bi2O3-40B2O3-20ZnO(摩爾分?jǐn)?shù))釬焊95%Al2O3，接頭的剪切強度為95 MPa；在700 ℃/20 min的條件下使用 50Bi2O3-30B2O-20ZnO(摩爾分?jǐn)?shù))玻璃釬焊藍寶石，接頭的剪切強度為70 MPa。此外，玻璃釬料由于自身特殊的電性能，如較低的介電常數(shù)、較高的電阻率等，在某些功能材料的連接上具有不可替代的作用。相對于結(jié)構(gòu)陶瓷，功能陶瓷對于接頭的要求更為嚴(yán)苛，開發(fā)具有與待連接陶瓷相同或相似功能性的玻璃釬料是十分有必要的。林盼盼等人[62]使用Bi基玻璃，實現(xiàn)了對Li系鐵氧體功能陶瓷的高可靠連接。通過比較不同的玻璃成分，使用25Bi2O3-52HBO3-12SiO2-6ZnO-3BaO-2CaO(摩爾分?jǐn)?shù))玻璃，連接 Li系鐵氧體可獲得最大剪切強度(86 MPa)，同時接頭的高頻介電性能接近原始Li系鐵氧體母材，介電損耗角正切無明顯增加。

玻璃釬焊也有其固有的問題需要解決，在采用玻璃連接技術(shù)時，玻璃體系的高粘度使夾在釬料中的氣體難以去除，在連接過程中容易形成殘留氣孔。玻璃體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也是需要考慮的因素之一，低于此溫度時，玻璃可能會發(fā)生結(jié)晶，材料從延性變?yōu)榇嘈?。雖然結(jié)晶后的材料通常比初始玻璃的機械強度更強，但是脆性材料更容易在經(jīng)受溫度循環(huán)之后發(fā)生失效。隨著使用時間的變化，玻璃釬料的結(jié)構(gòu)也可能會發(fā)生變化，進而導(dǎo)致其 CTE改變，降低連接件的可靠性和使用壽命。

1.8 過渡液相連接

過渡液相技術(shù)(transient liquid phase, TLP)，即通過中間層的反應(yīng)在接頭間形成液相，并在保溫過程中等溫凝固形成連接的過程[63]。這是一種介于釬焊和擴散焊之間的連接技術(shù)，兼具釬焊和擴散焊的優(yōu)點，連接溫度較低，但使用溫度較高，同時還能提高接頭性能。近些年來，在陶瓷連接領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了過渡液相連接技術(shù)的應(yīng)用，是一種很有前途的連接方法。

TLP技術(shù)的連接過程大致可分為三步[64]：液膜形成階段、等溫凝固階段和成分均勻化階段。液膜形成階段是指中間層材料的熔點通常比母材的熔點低，當(dāng)溫度到達連接溫度時，中間層材料先熔化，而母材后熔化，并在結(jié)合面上形成瞬間液膜。在加熱和保溫過程中，中間層材料中可降低熔點的元素（Melting point depressant elements，MPD元素）會擴散到母材中，當(dāng)擴散至達到某一共晶濃度后，會引起母材表面區(qū)域熔點降低，這又會使液態(tài)區(qū)域增寬。等溫凝固階段是指當(dāng)液態(tài)區(qū)域增寬至最大限度時，開始進行等溫凝固。由于MPD元素一般會人為地選擇具有小原子半徑的元素，而且中間層一直處于液態(tài)，使得MPD元素會持續(xù)地、快速地滲入到母材當(dāng)中。MPD元素的不斷滲入，使母材的熔點降低，促進了等溫凝固，當(dāng)凝固完成后，液態(tài)區(qū)域消失。成分均勻化階段是一個進程十分緩慢的過程，一方面因為液相區(qū)域的消失，中間層已經(jīng)完全成為固態(tài)；另一方面由于MPD元素的不斷流失，使其濃度梯度下降，進而使成分均化進程速度降低。當(dāng)此過程結(jié)束后，母材與中間層的組織已經(jīng)實現(xiàn)均勻化。如果均勻化成分進行得很充分，則可以認(rèn)為接頭是由與母材相接近的組織組成。Dezellus等人[65]研究了使用 Ti作為中間層對氮化鋁進行TLP連接時中間層發(fā)生的上述具體過程。

TLP技術(shù)連接所使用的中間層是影響連接結(jié)果的重要因素，中間層材料可以分為三種：軟性中間層（Al, Cu, Mo, Ni等），可緩解殘余應(yīng)力；活性中間層（Ti, V, Nb, Hf, Cu-Ti及Ni-Cr等），可與陶瓷發(fā)生相互作用；非活性粘附性中間層（Fe, Ni及Fe-Ni合金等），不與陶瓷反應(yīng)，但可與陶瓷組元發(fā)生相互擴散形成擴散層。中間層材料的熔點首先要保證比母材的熔點低（約為0.8Tm），其次要能夠使接頭部分在連接溫度下等溫凝固。中間層的成分要盡量與母材相近以保證不產(chǎn)生新的有害相，而且要保證接頭的性能和成分與母材相近，達到使用要求。Zhai等人[66]研究了使用TLP技術(shù)連接Al2O3和金屬基復(fù)合材料的過程中各種參數(shù)對接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)中間層材料為 Cu時存在最佳連接溫度和厚度，當(dāng)溫度為 853 K、Cu層厚度為5 μm時所獲得的接頭剪切強度最高。

壓力在 TLP技術(shù)中的作用也十分重要。鄒貴生等人[67]用Ti/Ni/Ti作為中間層對Si3N4進行連接，研究了壓力對接頭形成的作用及影響機制。研究結(jié)果顯示，足夠的壓力是 TLP充分鋪展于陶瓷表面的必要條件，同時也能保證凝固后在陶瓷與金屬間產(chǎn)生足夠量的擴散通道，用來實現(xiàn)后續(xù)的固相擴散過程。用TLP對Si3N4陶瓷連接時，壓力太大或太小都不利于連接，而是要控制在一個適當(dāng)?shù)膮^(qū)間。

1.9 部分過渡液相連接

TLP技術(shù)雖然具有許多傳統(tǒng)連接方法不具有的優(yōu)點，但是仍有許多限制條件如連接溫度較高、連接時間較長和工藝設(shè)備較復(fù)雜等，而且在擴散階段容易產(chǎn)生孔洞、變形甚至裂紋等缺陷。為了進一步解決這些缺點，在 TLP連接技術(shù)的基礎(chǔ)上，部分過渡液相連接技術(shù)(PTLP)誕生了。PTLP是在TLP連接技術(shù)基礎(chǔ)上的改進技術(shù)，在 TLP連接技術(shù)過程中，所使用的中間層是均勻的，而PTLP連接則采用不均勻的中間層（如A-B-A形式），在外側(cè)的A一般采用熔點低的金屬或合金材料，且A層很薄，所以A層熔化是瞬時的。液相的形成有利于浸潤母材表面、填縫、加速擴散過程，隨后在保溫過程中固液相之間加速擴散。這一技術(shù)綜合了釬焊以及擴散焊的優(yōu)點，具有很廣闊的應(yīng)用前景[68]。其連接過程見圖6。

中間層依然是影響接頭性能的重要因素。對于PTLP技術(shù)中使用的中間層，目前已經(jīng)報導(dǎo)的主要有Ti/Ni/Ti, Cu/Ni-20%Cr/Cu, Cu/Ni/Cu, Cu/Nb/Cu,Au/Ni-22%Cr/Au 等。Sugar和 Hong 等[69—70]分別采用了Cu/Nb/Cu和Ni/Nb/Ni作為中間層，并研究了相關(guān)參數(shù)對接頭性能產(chǎn)生的影響。初雅杰[71]利用熱彈塑性有限元方法建立模型，分析了Si3N4/Ti/Cu/Ti/Si3N4的PTLP過程中的最佳反應(yīng)層厚度、保溫時間和連接溫度，最佳 Ti厚度為 10 μm，并分析出陶瓷與金屬之間熱膨脹系數(shù)的重大差異是導(dǎo)致殘余應(yīng)力的主要原因；采用中間過渡層能緩和接頭的殘余應(yīng)力并提高接頭強度。翟建廣[72]采用Ti/Cu/Ti中間層對Si3N4陶瓷進行了PTLP連接并進行了強度測試，結(jié)果表明中間層厚度對接頭連接強度的影響很大，界面-陶瓷混合型斷裂具有最高的室溫連接強度。中間層的形式不僅限于B/A/B形式，歐昭等人[73]采用Ti/Al多層交替納米薄膜作為中間層的方法來進行連接，采用磁控濺射的方式將Ti/Al交替中間層沉積在成分為γ-TiAl基合金材料的表面。研究結(jié)果顯示，Ti/Al交替中間層各層間主要是通過片層狀晶粒的晶界進行擴散并且發(fā)生反應(yīng)，配合面處兩層 Ti之間的連接是通過原子熱運動引起的自由擴散過程完成的，而中間層與母材間的界面反應(yīng)是通過界面處 Ti原子通過晶界向母材擴散實現(xiàn)的。

圖6 PTLP技術(shù)連接過程[68]Fig.6 Connection process of PTLP technology

2 殘余應(yīng)力的緩解

陶瓷與金屬是兩種性質(zhì)不同的材料，釬焊時由于熱膨脹系數(shù)差異過大，接頭會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。緩解殘余應(yīng)力的常用方法有常溫結(jié)合法，即在常溫下實現(xiàn)連接，減小溫度差，減弱熱應(yīng)力。改變結(jié)合部位形狀法，通過改變結(jié)合部位形狀來緩解殘余應(yīng)力。中間層法，即通過添加中間過渡層來緩解陶瓷與金屬釬焊接頭殘余應(yīng)力的方法。與其他方法相比，中間層法是目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的緩解殘余應(yīng)力的方法[74—76]。與釬料相比，中間層材料在釬焊過程中不完全熔化，在接頭中起到緩解陶瓷與金屬材料應(yīng)力的作用。同時，中間層材料還能改變和抑制一些消極的界面反應(yīng)，使界面狀態(tài)更穩(wěn)定。在此主要介紹了四類減緩應(yīng)力的中間層，分別是單層中間層、復(fù)層中間層、梯度中間層以及復(fù)合釬料中間層[77]。

2.1 單層中間層

單層中間層材料可分為軟質(zhì)中間層和硬質(zhì)中間層。軟質(zhì)中間層如Cu, Al, Ni等，特點是彈性模量較低、塑性好、屈服強度低，利用其良好的塑性變形能力以及蠕變能力可以緩解和吸收接頭處的殘余應(yīng)力。硬質(zhì)中間層，如W, Mo等硬金屬，其特點為彈性模量高且線膨脹系數(shù)與陶瓷接近，可以避免金屬接頭與陶瓷直接接觸，將金屬與陶瓷接頭處的殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)移到中間層中，從而改善接頭連接效果。通過調(diào)整合金成分及配比，還可以進一步改善接頭性能[78]。

當(dāng)使用Ni作為中間層，外面包覆Cu-Ti釬料對Al2O3和不銹鋼 304(SS304)進行 PTLP釬焊時。不加Ni層的直接釬焊在陶瓷/釬料結(jié)合面處，σx,σy,τxy分別為709, 2106, 1052 MPa。而對于加入1 mmNi層的情況下，最大應(yīng)力分別為429, 1950, 731 MPa，殘余應(yīng)力有所降低。當(dāng)進一步將Ni層的厚度增加到2 mm時，最大應(yīng)力分別為413, 1785, 611 MPa[79]。當(dāng)使用Ti作為活性釬料焊接 Si3N4和鐵鉻鋁合金(Fecralloy)時，如果單純使用Ti作為焊料，雖然Ti為活性元素，但是接頭仍然存在熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配的情況，影響接頭耐高溫性能(＜400 ℃)。如果在其中加入一層Cu箔，耐高溫性能有所提升(＞500 ℃)，并且剪切強度有了一定程度的提升，最大可達67.5 MPa（較低的原因是因為界面形成 AlN脆性相）[80]。同樣的，采用Ni作為中間層，實現(xiàn)Si3N4與FeCrNi合金的連接，也可減弱殘余應(yīng)力，接頭的剪切強度值為 46.1～70.4 MPa[81]。除了Ni和Cu之外，Mo也是一種常用的單層中間層金屬。當(dāng)把Si3N4與鋼進行焊接時，接頭處產(chǎn)生了很大的殘余應(yīng)力，最高可達350 MPa。嘗試使用中間層法分別加入Mo和Cu后，殘余應(yīng)力分別下降 30%和 50%，效果十分顯著[82]。Zhu等[83]用51Ni-49Ti和 52Cu-18Ni-30Ti兩種薄片釬料焊接Al2O3與金屬Nb，并將焊接結(jié)構(gòu)從700 ℃驟冷到水中進行抗熱沖擊試驗。研究結(jié)果表明，與不加鉬網(wǎng)的釬焊接頭相比，Al2O3/(Ni, Ti, Mo)/Nb釬焊接頭的抗熱沖擊性能提高了 180%，Al2O3/(Cu2Ni2Ti/Mo網(wǎng))/Nb釬焊接頭的抗熱沖擊性能則提高了130%。

2.2 復(fù)層中間層

單層中間層由于結(jié)構(gòu)單一，仍然容易在中間層材料上產(chǎn)生應(yīng)力集中。為進一步緩解殘余應(yīng)力，開發(fā)了復(fù)層中間層法。復(fù)層中間層就是單層中間層的組合形式，工藝簡單，而且應(yīng)力緩解效果更加明顯。復(fù)層中間層組合形式很多，常見的有軟層+硬層、硬層+硬層等。

相比于單Ti、單Cu或單Mo中間層，CuTi中間層在連接Al2O3和304不銹鋼時，更有利于緩解接頭熱應(yīng)力，接頭強度達到65 MPa[84]。W與其他金屬構(gòu)成的復(fù)層中間層也能有效緩解陶瓷與金屬接頭之間的殘余應(yīng)力，提高接頭強度。Zhong等人[85]在SiC和鐵素體不銹鋼接頭中，加入W/Ni雙層中間層。焊接分為兩步進行，首先焊接 SiC/W，連接工藝為1550 ℃/1 h、壓力 20 MPa；之后焊接 SiC/W/Ni/Steel，連接工藝為真空條件下750～900 ℃/3 h。結(jié)果表明，接頭抗拉強度可達到55 MPa。采用了同樣的方法，使用W/Cu雙層中間層對SiC與F82H鋼進行焊接，接頭強度可達41.3 MPa[86]。

為了降低連接溫度，可采用軟層加硬層的設(shè)計，硬層鑲嵌在軟層的合金釬料中。Kalin等人[87]就是以Ni釬料作為軟層，在其中加入一塊50Fe-50Ni合金作為硬層，在1150 ℃的真空條件下焊接W/鋼。之后進行熱循環(huán)試驗，在3～5 min經(jīng)受100次熱循環(huán)沒發(fā)現(xiàn)裂紋。類似地，張勇等人[88]以 W 片作為硬層替換50Fe-50Ni來焊接GH2907與Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料，控制W片厚度并發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其為1.5 mm時，接頭抗彎強度達到最大值109 MPa。在設(shè)計中間層時，不僅要注意軟層與硬層的組合，還要考慮中間層金屬與填充金屬的相互作用。Hao等人[89]以Cu片作為硬層，以57Ag-38Cu-5Ti釬料焊接Al2O3/1Cr18Ni9Ti時，接頭強度不升反降。這是因為，Cu降低了填充金屬中的Ti的活性，導(dǎo)致界面反應(yīng)不足，界面粘合性變差，所以連接強度下降。

除了軟+硬的組合之外，還有部分研究人員采用硬+硬的組合形式。例如，以Zr/Nb作為硬+硬的中間層連接SiC陶瓷和GH128，接頭強度有了明顯提高[90]。Travessaa等人[84]以 Ti/Mo和 Ti/Cu作為中間層連接Al2O3與304不銹鋼，接頭強度分別為27 MPa和65 MPa。

2.3 梯度中間層

借鑒功能梯度材料(Functionally Graded Materials, FGM)的發(fā)展，研究人員開發(fā)出梯度中間層法。從接頭的一側(cè)到另一側(cè)中間層材料的成分配比是逐漸變化的，這使接頭的微觀結(jié)構(gòu)和性能也是漸變的，從而分散接頭處的殘余應(yīng)力，最大程度緩解接頭處的應(yīng)力集中，進而顯著提高接頭強度[91—92]。

Pietrzak等人[93]采用有限元法模擬了不同組分、不同層數(shù)、不同厚度的Al2O3-Cr中間層材料對Al2O3/耐熱鋼接頭殘余應(yīng)力的影響。在不添加中間層的情況下，Al2O3/耐熱鋼接頭殘余應(yīng)力可達到550 MPa。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用三層厚度相等、組分分別為75Al2O3/25Cr, 50Al2O3/50Cr, 25Al2O3/75Cr（體積分?jǐn)?shù)）的中間層材料時，其應(yīng)力最高區(qū)域中殘余應(yīng)力σmax達到約260 MPa，比Al2O3/耐熱鋼直接連接的接頭殘余應(yīng)力(550 MPa)低50%以上。而且注意到，各層殘余應(yīng)力的分布σmax相對均勻，應(yīng)力平均保持在約248 MPa的恒定水平上。當(dāng)進一步增加梯度層時，殘余應(yīng)力不再顯著下降。從成本考慮，三層是最佳選擇。在厚度以及層數(shù)相同的情況下，不同的材料配比也會對接頭強度有明顯的影響。隨著Cr含量的增加，復(fù)合材料的強度增加。所研究的彎曲強度分別比純Al2O3陶瓷的強度高約 20%(75Al2O3/25Cr),40%(50Al2O3/50Cr)和 56%(25Al2O3/75Cr)。進一步研究梯度層厚度對殘余應(yīng)力的影響時發(fā)現(xiàn)，靠近陶瓷接合元件的梯度材料的厚度對接頭陶瓷元件的殘余應(yīng)力水平影響最大。鄰接于接頭的陶瓷元件的層(75Al2O3/25Cr)從1.0 mm變大至1.73 mm時，導(dǎo)致應(yīng)力水平σmax下降約10%。

梯度中間層材料既可以使用沉積或鍍層的方法來實現(xiàn)，又可以采用成分配比逐漸變化的合金粉末來制備[94]。Li等人[95]采用 YSZ粉末和 NiCr合金粉末制成中間層，然后采用熱壓燒結(jié)的方法連接 YSZ和NiCr合金。在1000 ℃經(jīng)過30次熱循環(huán)后發(fā)現(xiàn)，在接合處的NiCr-50vol.%YSZ和NiCr-75vol.%YSZ夾層中，剪切強度分別為207.0 MPa和75.0 MPa。層間組成的逐步變化將傳統(tǒng)金屬/陶瓷連接中的單個金屬/陶瓷界面轉(zhuǎn)變成大量的金屬/陶瓷界面，從而降低制造和熱循環(huán)過程中的熱應(yīng)力。Chmielewski等人[96]采用等離子噴涂的辦法制備Cr-Al2O3梯度中間層材料，并將其應(yīng)用到 Al2O3與高 Cr鋼的連接中，通過實驗驗證了 Pietrzak等人[93]的分析結(jié)果。孫德超等[97]采用Ti, C和Ni等材料，通過自蔓延高溫合成技術(shù)制備梯度中間層，用于連接SiC陶瓷與GH169合金，有效降低了接頭處的殘余應(yīng)力。

2.4 復(fù)合釬料中間層

通過在釬料合金中添加低 CTE的增強相，開發(fā)出了陶瓷顆粒增強釬料合金，也稱為復(fù)合釬料。能有效降低釬料的CTE，減少由焊接溫度下降至室溫時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力[98]。增強相的選擇有很多，如陶瓷顆粒[99—101]、碳纖維[102—103]、原位生成陶瓷相網(wǎng)絡(luò)骨架[104]等。按照增強相添加方式的不同，可以分為外加法和原位自生法兩類。外加法是直接在釬料中添加高溫陶瓷增強相，這一方法能夠很好地控制增強相的組成和含量，但缺點是增強相在基體中的分布無法控制，且不可避免地會引入雜質(zhì)。原位自生法則是通過對釬料的巧妙設(shè)計，在釬焊過程中或者后續(xù)保溫過程中自發(fā)生成高溫陶瓷增強相，這一方法中增強相的分布均勻，增強相與基體的結(jié)合力強，且可避免引入雜質(zhì)。通過原位生長發(fā)獲得增強相是目前研究的熱點。

近年來，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的何鵬課題組在連接接頭原位強化方面做了很多研究。如前所述，郭偉等[58,61]在使用鉍酸鹽玻璃釬料連接氧化鋁陶瓷時發(fā)現(xiàn)，接頭中原位形成的硼酸鋁晶須可以強化接頭。林盼盼等[62]在使用玻璃釬料連接鐵氧體陶瓷過程中，在接頭中發(fā)現(xiàn)原位 Bi5Ti3FeO15晶須，且該晶須可以強化接頭，同時不會對連接接頭功能產(chǎn)生不利影響。楊衛(wèi)岐[105]使用純 Ti中間層連接 ZrB2-SiC陶瓷與金屬Nb，通過在陶瓷表面原位生長 TiB晶須增強接頭的力學(xué)性能。在1200 ℃/60 min 的條件下獲得了最大抗剪強度為 158 MPa的釬焊接頭，并且在 600 ℃和800 ℃的情況下，接頭強度仍保留室溫強度(158 MPa)的66%和53%。楊敏旋[106]使用機械混合方法制備了CuTi+TiB2, Cu+TiB2和AgCuTi+B三種復(fù)合釬料，實現(xiàn)了 TiB增強相的自生長，并進行了 Al2O3和TC4(Ti6Al4V)合金的釬焊實驗。實驗結(jié)果表明，釬焊接頭的高溫性能大大提升，這是由于接頭處形成了TiB晶須，作為陶瓷骨架存在于釬縫中。

雖然復(fù)合釬料能夠減小殘余應(yīng)力，但是大部分的增強相會與釬料中的活性成分發(fā)生反應(yīng)(Ti)，過量的反應(yīng)會生成過量的脆性相，削弱接頭強度[107]，因此，在研發(fā)復(fù)合釬料的過程中，需要注意以下2個問題：① 增強相的含量與接頭強度的關(guān)系及其原理，特別是增強相與釬料基體、待連接材料之間的反應(yīng)；② 使用活性復(fù)合釬料時，需要考慮到增強相對活性元素的消耗，并適當(dāng)進行補償，以獲得最佳的潤濕效果和接頭強度。

3 陶瓷連接技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用展望

隨著材料科學(xué)以及焊接技術(shù)的發(fā)展，陶瓷連接的研究勢必深入進行，近年來也出現(xiàn)了許多新型連接方法，為陶瓷連接提供了新思路，這些新型方法如自蔓延高溫合成技術(shù)(SHS)，又稱燃燒合成法、摩擦焊接技術(shù)、激光焊接技術(shù)、微波連接技術(shù)、超聲連接技術(shù)、爆炸連接、電場輔助連接、燒釉封接等方法。與此同時，降低陶瓷母材與連接金屬中間層的殘余熱應(yīng)力以及增強連接接頭的耐熱性能也有待于進一步深入研究，尤其對于超高溫陶瓷材料來說，在超高溫陶瓷連接時獲得與超高溫陶瓷母材具有相似的化學(xué)成分、一致的晶體結(jié)構(gòu)、相近的熱物性及力學(xué)行為的連接接頭是最為理想的結(jié)果，也是超高溫陶瓷連接未來的發(fā)展趨勢。人們對于陶瓷連接的探索一直在不斷深入，隨著科技的發(fā)展和技術(shù)以及經(jīng)驗的積累，今后勢必發(fā)展出越來越多的新型方法，向著更好改善潤濕性、控制界面反應(yīng)、獲得更好性能的方向發(fā)展。

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Ceramic Connection Technology and Its Application

SHI Yu-hao, SHI Cheng-jie, WU Bing-ying, LIN Pan-pan, LIN Tie-song, HE Peng
(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Connection between metal and ceramic is gradually becoming an important processing method in modern manufacturing industry. Development of connecting technology makes it possible to combine ceramic materials and traditional metal materials, so that we can make up for their disadvantages. Since the increasingly strict service conditions puts forward higher requirements on high temperature performance and mechanical properties of connector, it is necessary to develop the connection process. Several major ceramic joining techniques were introduced, including active metal brazing, high temperature active brazing, ultrasonic assisted ceramic joining, reactive air brazing, glass joining, transitional liquid joining and partial transitional liquid joining. Mechanism of ceramic connection technology was described, and the middle layer method which was often used to relieve the residual stress of the ceramic/metal connection joint was discussed. Finally, the prospect of ceramic connection technology, development trend and application in recent years was also discussed.

ceramic/metal; connection mechanism; connection technology; residual stress

2017-11-16

國家自然科學(xué)基金（51474081，51475103）

石宇皓（1995—），男，焊接技術(shù)與工程專業(yè)本科生。

林盼盼（1987—），女，博士后，主要研究方向為新材料及異種材料連接。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.002

TG44

A

1674-6457(2018)01-0010-13