無(wú)機(jī)非金屬材料與金屬材料連接的研究概述

孫道明

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110000

無(wú)機(jī)非金屬材料與金屬材料連接的研究概述

孫道明

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110000

無(wú)機(jī)非金屬材料的廣泛應(yīng)用原因在于材料自身的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前無(wú)機(jī)非金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓展至各種行業(yè)，但無(wú)機(jī)非金屬材料同時(shí)還具有很多缺陷。例如，無(wú)機(jī)非金屬材料的塑韌性非常差，因此對(duì)材料的制作和利用難度較高，只能夠制作出復(fù)雜程度較低的結(jié)構(gòu)；由于無(wú)機(jī)非金屬材料的冷加工性能很差，因此材料在應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中常會(huì)被很多因素限制。對(duì)比無(wú)機(jī)非金屬材料，金屬材料具備良好的強(qiáng)度和韌性，材料加工性能良好，能夠一定程度彌補(bǔ)無(wú)機(jī)非金屬材料應(yīng)用過(guò)程中的很多不足，因此研究界開始將研究重點(diǎn)放在無(wú)機(jī)非金屬材料和金屬材料的連接上，以求拓展材料連接的應(yīng)用范圍。

無(wú)機(jī)非金屬材料；金屬材料；連接

分析無(wú)機(jī)非金屬材料和金屬材料連接過(guò)程中遇到的主要難題可知，其中主要阻礙是兩種材料的物理化學(xué)性不相容，同時(shí)還受到連接熱應(yīng)力的阻礙。常見的無(wú)機(jī)非金屬材料包含玻璃和陶瓷等，陶瓷屬于絕緣體的一種，在其和玻璃連接的過(guò)程中，由于玻璃材料具有良好的透光性，容易加工，其能夠轉(zhuǎn)換成不同的形狀等優(yōu)勢(shì)在真空領(lǐng)域的應(yīng)用狀況良好。無(wú)機(jī)非金屬材料和金屬材料之間連接的形式很多，例如，玻璃和金屬材料的封接、陶瓷和金屬材料的封接、陶瓷和金屬材料的活性釬焊、陶瓷和金屬材料的瞬間液相擴(kuò)散焊、陶瓷和金屬材料的熔釬焊等，下文將做詳細(xì)介紹。

1 玻璃—金屬封接工藝

張露露、楊學(xué)林、倪世兵研究認(rèn)為，玻璃和金屬材料的封接工藝對(duì)金屬表面實(shí)施預(yù)氧化操作，在達(dá)到預(yù)氧化標(biāo)準(zhǔn)之后能夠?qū)崿F(xiàn)二者的連接，分析Kovar合金的性質(zhì)可知，其熱膨脹系數(shù)十分接近于玻璃，能夠顯著降低兩種材料的連接熱應(yīng)力阻礙。玻璃－金屬封接工藝結(jié)合過(guò)程中需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題是兩種化學(xué)材料的不相容和熱應(yīng)力的問(wèn)題，玻璃是典型的非金屬材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是共價(jià)鍵連接結(jié)構(gòu)，金屬材料的結(jié)合方式是電子云，因此阻礙了二者的結(jié)合。

石芳蘭認(rèn)為，玻璃和金屬的熱膨脹系數(shù)差距很大，即使兩種物質(zhì)能夠在潤(rùn)濕的條件下連接，也會(huì)在冷卻的時(shí)候受到應(yīng)力影響，可能會(huì)導(dǎo)致玻璃發(fā)生炸裂。為了解決玻璃材料和金屬材料兩種不同物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)不相容的狀況，需要首先對(duì)兩種材料的性質(zhì)進(jìn)行改變，由此實(shí)現(xiàn)熔融玻璃和金屬的潤(rùn)濕鋪展。為了解決玻璃材料和金屬材料之間的封接應(yīng)力難題，研究學(xué)者將研究重點(diǎn)放在兩種材料的熱膨脹系數(shù)商，開始尋找熱膨脹系數(shù)接近的金屬材料和玻璃材料，例如，常使用的Fe-Co-Ni系列膨脹合金和封接玻璃。

2 陶瓷—金屬封接工藝

樊洋經(jīng)過(guò)研究實(shí)踐認(rèn)為，陶瓷和金屬材料連接使用的封接工藝其連接原理主要是對(duì)陶瓷材料的表面實(shí)施固定操作來(lái)拉近兩種材料的性質(zhì)相似性，例如，通過(guò)涂膏方式、燒結(jié)方式、電鍍方式等，經(jīng)過(guò)以上操作的實(shí)施，能夠在陶瓷表面形成一種十分相近于金屬材料的金屬化層，提升二者連接的緊密性，由此才能實(shí)現(xiàn)二者的融合，保證陶瓷表面達(dá)到能夠和金屬材料釬焊連接的要求。根據(jù)近年來(lái)的研究顯示，很多研究將關(guān)注點(diǎn)放在無(wú)機(jī)非金屬材料和金屬材料的連接上，在該過(guò)程中的連接問(wèn)題可能會(huì)受到化學(xué)不相容或者熱應(yīng)力問(wèn)題的阻礙。就目前來(lái)看，很多工廠針對(duì)用陶瓷和金屬材料之間的連接使用燒結(jié)金屬粉末法。分析陶瓷－金屬封接工藝的重要環(huán)節(jié)可知，陶瓷表面金屬化層的質(zhì)量才是重點(diǎn)，決定了二者的連接質(zhì)量。

許天才、彭曉東、姜軍偉等人認(rèn)為，無(wú)機(jī)非金屬材料和金屬材料在進(jìn)行金屬化操作的過(guò)程中，其中的Mo顆粒會(huì)發(fā)生狀態(tài)的變化，從原先的狀態(tài)變成骨架結(jié)構(gòu)，其中金屬粉中的玻璃能夠填滿整個(gè)骨架結(jié)構(gòu)，不留空隙，填充完整。同時(shí)會(huì)將其和95%的陶瓷玻璃相連接在一起，利用毛細(xì)作用將其放入到陶瓷材料之中，由此能夠拉近兩種材料的屬性，形成兩者之間強(qiáng)度較高、十分細(xì)密的金屬化層。當(dāng)其中玻璃相的含量偏高的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)很多內(nèi)閉合的氣孔，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者針對(duì)以上內(nèi)容的研究和分析焦點(diǎn)都在研究陶瓷表面的金屬化分析上，重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容是注重?zé)o機(jī)非金屬材料金屬化強(qiáng)度的提升。由于受到制作工藝局限性的影響，陶瓷會(huì)出現(xiàn)表面或者內(nèi)部缺陷的狀況，導(dǎo)致在實(shí)現(xiàn)金屬和陶瓷連接過(guò)程中呈現(xiàn)出強(qiáng)度不集中的現(xiàn)象。

3 陶瓷—金屬活性釬焊

戴曉云認(rèn)為陶瓷－金屬活性釬焊的連接主要是通過(guò)活性元素的使用來(lái)完成陶瓷反應(yīng)連接的過(guò)程，該種連接方式能夠顯著降低連接工藝的復(fù)雜程度，分析陶瓷－金屬活性釬焊工藝的具體過(guò)程可知，在傳統(tǒng)釬焊方法的指引下，利用活性成分來(lái)增加釬料對(duì)不同物質(zhì)的親和能力，例如，常見的活性成分包含氧化物、硅酸鹽等。

武高輝主要針對(duì)SiC陶瓷的活性釬焊過(guò)程進(jìn)行了研究，分析工藝過(guò)程的溫度控制和保溫時(shí)間等因素，最后分析了該工藝的應(yīng)用對(duì)接頭力學(xué)的影響作用，研究認(rèn)為，當(dāng)釬焊溫度提升的時(shí)候，其強(qiáng)度會(huì)提升，彎曲強(qiáng)度很高，如果保溫時(shí)間很久，會(huì)增加釬料和陶瓷之間的反應(yīng)厚度，因此導(dǎo)致連接過(guò)程出現(xiàn)脆性金屬間化合物，降低了連接質(zhì)量。

4 陶瓷—金屬過(guò)渡液相擴(kuò)散焊

張盼、何宇航、張琪等人認(rèn)為陶瓷－金屬的活性釬焊工藝能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)機(jī)非金屬材料和金屬材料之間的連接，且連接可靠性較強(qiáng)，但該過(guò)程會(huì)出現(xiàn)接頭受到高溫高應(yīng)力無(wú)法適應(yīng)的狀況，原因在于活性釬焊過(guò)程中連接的溫度很低，如果一味提升釬焊溫度的話，還會(huì)造成熱應(yīng)力的增加。

吳健松、肖應(yīng)凱、梁海群等人指出，陶瓷和金屬材料之間擴(kuò)散焊進(jìn)行的過(guò)程中，其中間層具有強(qiáng)大的復(fù)合能力，其整體結(jié)構(gòu)是由一個(gè)很薄的熔點(diǎn)很低的金屬鋪置在厚度很高的核心層上面，由于金屬或者合金的熔點(diǎn)偏低，當(dāng)薄層受熱融化后會(huì)流向高熔點(diǎn)的材料，在接觸的時(shí)候發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致溶液消失，因此其中間合金或者中間層的性質(zhì)主要決定物是高熔點(diǎn)位置的核心材料。

5 結(jié)論

無(wú)機(jī)非金屬和金屬材料的物理化學(xué)性是不相容的，同時(shí)還受到材料熱應(yīng)力的阻礙。

首先，玻璃材料和金屬的連接需要對(duì)玻璃實(shí)施預(yù)氧化，提升材料的濕潤(rùn)度，從而使用Kovar 合金等來(lái)拉近金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料的熱膨脹系數(shù)，降低二者連接過(guò)程的熱應(yīng)力問(wèn)題。其次，陶瓷材料和金屬材料的連接需要對(duì)陶瓷進(jìn)行二次加工，對(duì)其實(shí)施涂膏、燒結(jié)、電鍍等過(guò)程之后，在陶瓷的表面形成一種有利于二者連接的金屬化層，有助于陶瓷和金屬材料的連接，順利完成釬焊。第三，陶瓷－金屬活性釬焊過(guò)程需要使用活性元素來(lái)幫助連接完成，極大程度降低工藝的復(fù)雜程度。第四，陶瓷－金屬過(guò)渡液相擴(kuò)散焊工藝需要中間層的增加，降低釬焊的應(yīng)力阻礙，提升接頭處的性能和高溫?？梢姛o(wú)機(jī)非金屬材料和金屬材料的連接中，不同連接工藝都存在優(yōu)勢(shì)和缺陷，因此實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和科學(xué)研究中，需要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)適當(dāng)選擇連接方式。

[1]張露露，楊學(xué)林，倪世兵.金屬材料工程專業(yè)“無(wú)機(jī)非金屬材料”教學(xué)探索[J].中國(guó)電力教育，2013（20）：80-81.

[2]石芳蘭.無(wú)機(jī)非金屬材料的研制及性能表征[J].中國(guó)建材科技，2015（6）：77-78.

[3]樊洋.非金屬管材的連接方法研究[J].石化技術(shù)，2016，02：163.

[4]許天才，彭曉東，姜軍偉，等.鈦合金連接異種材料新技術(shù)的研究應(yīng)用[J].稀有金屬，2014（4）：711-719.

[5]戴曉云.無(wú)機(jī)非金屬材料的抗菌性能研究[J].輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014（3）：79-80.

[6]武高輝.金屬基復(fù)合材料發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2014（5）：1228-1237.

[7]張盼，何宇航，張琪，等.高分子材料導(dǎo)電性能改善研究進(jìn)展[J].包裝學(xué)報(bào)，2014（4）：31-38.

[8]吳健松，肖應(yīng)凱，梁海群.改進(jìn)的水熱法在無(wú)機(jī)非金屬材料制備中的應(yīng)用[J].化學(xué)通報(bào)，2012（4）：306-311.

[9]劉攀，唐偉，張斌彬，等.高頻感應(yīng)燃燒-紅外吸收光譜法在測(cè)定無(wú)機(jī)非金屬樣品中碳、硫的應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)(化學(xué)分冊(cè))，2016（4）：487-496.

[10]蔣久信，嚴(yán)明，熊焰，等.“721”人才培養(yǎng)模式下無(wú)機(jī)非金屬專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)改革的建議與設(shè)想[J].大學(xué)教育，2015（11）：131-132.

V254.2

A

1674-6708（2016）171-0156-02

孫道明，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)。