無機非金屬材料與金屬材料連接的研究概述

鄒躍

摘 要：因為無機非金屬材料自身具有一定的優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)領(lǐng)域中，但是，無機非金屬材料也存在諸多不足。比如，在塑料韌性方面，無機非金屬材料性能較差，所以，在制作和利用無機非金屬材料時，其操作難度很大，只能制作一些簡單結(jié)構(gòu)。此外，無機非金屬材料的冷加工性能相對較差，因此，在具體應(yīng)用過程中，常常受到諸多因素干擾和制約。相對于無機非金屬材料，金屬材料擁有良好的韌性和強度，而且具有良好的材料加工性能，可以填補無機非金屬材料的缺陷，所以，業(yè)界人士開始重點研究金屬材料和無機非金屬材料的有效連接，從而不斷拓寬材料連接的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：無機非金屬材料;金屬材料;連接

前言：在研究金屬材料和無機非金屬材料連接時，其難度和問題是可想而知的，其主要難點和需要攻克的課題是兩種材料物理化學(xué)性質(zhì)不相容問題，在此過程中，還受到連接熱應(yīng)力的限制。其中玻璃和陶瓷等是我們?nèi)粘Ｉ钪休^為常見的無機非金屬材料，而陶瓷有屬于絕緣體，而在與玻璃嘗試連接的過程中，因為玻璃材料很容易加工且透光性能良好，可以變換成各種形狀，因此在真空中實際應(yīng)用效果最佳。此外，金屬材料和無機非金屬材料之間存在許多連接，例如陶瓷和金屬材料的活性釬焊，玻璃和金屬材料的封接等等，接下來本文對其進行簡單介紹。

1.玻璃-金屬封接

當(dāng)相關(guān)工作人員研究金屬-玻璃封接時，主要面臨熱應(yīng)力和物理化學(xué)不相容兩大難題。大家都知道，玻璃是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷姆墙饘俨牧?，其主要成分是三氧化二鋁和二氧化硅，同時也是共價鍵連接結(jié)構(gòu)，而我們熟知的金屬主要以電子元形式存在，從而無法使熔融狀態(tài)下的玻璃材料濕潤地攤鋪在金屬表面，進而不能實現(xiàn)玻璃-金屬的有效封接。此外，玻璃同一般金屬的熱膨脹系數(shù)不同，即便二者能夠潤濕連接，但是冷卻期間，不可避免地會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，甚至?xí)l(fā)生玻璃爆炸問題。

在電真空工業(yè)中，金屬表面預(yù)氧化是目前為止使用最頻繁的金屬表面改性方法。首先，在有氧條件下，對金屬表面加熱生成金屬氧化膜，這層金屬氧化物可以同熔融狀態(tài)下玻璃完成封接，從而有效處理好金屬與玻璃物理化學(xué)不相容的問題。此外，工作人員通過專研熱膨脹系統(tǒng)接近金屬、玻璃方法來有效解決玻璃-金屬封接應(yīng)力問題。比如，F(xiàn)e-Co-Ni系膨脹合金和封接玻璃是目前玻璃-金屬封接中常見的金屬材料。

陳文利等人嘗試利用MnO2等金屬氧化物對DM-308電子玻璃進行相應(yīng)改性。從而使玻璃的抗彎強度上升7%，同時有效提高了玻璃與可伐合金的密封強度。此外，還明顯提高了15.6%封接面抗剪強度。通過大量實踐研究分析，結(jié)果表明，添加金屬氧化物有利于增強金融元素在玻璃中的擴散能力。

2.陶瓷-金屬封接

陶瓷-金屬封接類似與玻璃-金屬封接，也存在熱應(yīng)力問題和兩種材料物理化學(xué)不相容問題。陶瓷-金屬封接工藝原理類似玻璃-金屬封接，陶瓷表面主要燒結(jié)成金屬化層，實現(xiàn)與金屬表面的潤濕和鋪展工作。熱應(yīng)力的釋放取決于金屬化層和填充金屬的變形和緩沖。

活性鉬-錳法等燒結(jié)金屬粉末法是陶瓷-金屬封接中最常用的方法，此連接工藝還包括處理陶瓷、制備膏粉以及二次金屬化等相關(guān)過程。陶瓷表面金屬化層的質(zhì)量決定了陶瓷金屬密封接頭情況?，F(xiàn)階段，對此方法的研究目前已經(jīng)進展到切實提高表面金屬化強度以及金屬化層強度表征等方面。

3.陶瓷-金屬活性釬焊

陶瓷-金屬活性釬焊工藝主要用到釬焊方法，主要原理是將Ti，Zr等活動成分添加到釬料中，從而增加釬料對硅酸鹽、氧化物等物質(zhì)的親和力，從而使釬料對陶瓷表面的潤濕和鋪展順利進行，實現(xiàn)二者的釬焊，實踐表明，釬料對金屬的潤濕性較強，對此方面的深入研究相對較少。

陶瓷-金屬活性釬焊比陶瓷-金屬封接工藝需要的封接溫度相對較低，工序相對簡單，完成周期較短，而且在此過程中，零件很少發(fā)生形變，所以，最近幾年，業(yè)界人士更加追捧陶瓷-金屬連接研究。

4.陶瓷-金屬過渡液相擴散焊

陶瓷與金屬的活性釬焊工藝可以有效連接它們，然而，高溫高應(yīng)力下接頭的難以快速適應(yīng)周圍環(huán)境，主要原因在于活性釬焊的接頭溫度偏低。隨著釬焊溫度的升高，熱應(yīng)力需要不斷提升，而陶瓷和金屬過渡液，可以幫助工作人員快速解決這些問題。

復(fù)合中間層通常被作為陶瓷 - 金屬過渡液相擴散焊接的中間層，即低熔點金屬或合金沉積在高熔點芯層上。當(dāng)?shù)腿埸c薄層達到熔點時，就可以進一步擴散到高熔點材料中，同時發(fā)生反應(yīng)，液相逐漸消失。高熔點核心材料物理性能決定了合金或中間層性質(zhì)。

結(jié)束語：

綜上所述，金屬材料和無機非金屬材料的物理化學(xué)特性不具備相容性，此外，還受到材料熱應(yīng)力的限制。首先，通過預(yù)氧化玻璃，來促進金屬和玻璃材料的連接，從而不斷提高金屬材料的潤濕度，進而利用Kvoar合金來不斷縮小無機非金屬和金屬材料的熱膨脹系統(tǒng)，從而解決他們之間的熱應(yīng)力問題。其次，在連接金屬材料和陶瓷材料時，工作人員往往通過二次加工陶瓷，之后再經(jīng)過涂膏、燒結(jié)以及電鍍等一系列程序，從而在陶瓷表面形成一個金屬化層，從而有效連接二者，促進釬焊順利開展。第三，陶瓷-金屬活性釬焊期間，需要活性元素來助力，從而簡化工藝流程。第四，陶瓷與金屬過渡液相擴散焊工藝要求必須增加中間層，這樣，影響了釬焊應(yīng)力的有效降低，從而接頭的性能和高溫要求更高了。所以，無機非金屬材料和金屬材料連接過程中，不同連接方式都其優(yōu)缺點。因此，在具體工業(yè)生產(chǎn)活動和科學(xué)研究中，有必要結(jié)合實際情況，選擇最恰當(dāng)?shù)倪B接方式。

參考文獻：

[1]張巨先，高隴橋.95%Al2O3陶瓷Mo-Mn金屬化層燒結(jié)機理研究[J].真空電子技術(shù)，2007（4）：6-9.

[2]馬向東.幾種無機非金屬材料納米力學(xué)性能的研究[J]. 機械工程材料，1999（06）：20-22+44.

[3]趙世柯，肖東梅，呂京京.透明氧化鋁陶瓷金屬化與封接實驗研究[J].真空電子技術(shù)，2010（3）：25-27.

[4]石明，張巨先，劉征，等.氧化鋁陶瓷封接強度的統(tǒng)計分析[J].真空電子技術(shù)，2011（4）：23-26.

[5]張露露，楊學(xué)林，倪世兵. 金屬材料工程專業(yè)“無機非金屬材料”教學(xué)探索[J]. 中國電力教育，2013（20）：80-81.

[6]孫鵬超，王思雨，宋曉東. 無機非金屬材料的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 南方農(nóng)機，2017，48（05）：127-128.