石墨與金屬焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

孔德浩，張銘雨，季雨凱，韋勇，鐘志宏，宋奎晶

（合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009）

0 前言

石墨具有低比重、低熱膨脹、高導(dǎo)熱導(dǎo)電、易加工及耐高溫、腐蝕、磨損、冷熱沖擊、疲勞等優(yōu)異性能，使其成為冶金、電子、汽車、核電、航空航天等領(lǐng)域不可或缺的材料。近年來，石墨在3C 產(chǎn)品、高功率多芯片組件、CT 機(jī)X 射線管等散熱領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。隨著武器技術(shù)的不斷進(jìn)步，軍工電子產(chǎn)品逐漸向高功率化、高集成化方向發(fā)展，隨之而來的溫度升高及封裝材料與芯片之間熱應(yīng)力的增大嚴(yán)重影響器件的性能、可靠性及服役壽命。散熱問題已經(jīng)成為制約高功率器件發(fā)展與應(yīng)用的瓶頸。因此，熱沉材料選擇具有更高散熱能力、更低密度的導(dǎo)熱石墨片，并與結(jié)構(gòu)材料鋁合金連接，是解決高功率電子器件封裝散熱難題的理想方案。

石墨的應(yīng)用必然涉及到其與鋁、銅、鋼、鎢及鉬等合金材料連接的問題。然而，石墨與金屬的物理力學(xué)性能（熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、彈性模量等）和冶金性質(zhì)（成鍵類型、微觀結(jié)構(gòu)等）的巨大差異導(dǎo)致冶金連接困難，特別是焊接界面的殘余應(yīng)力將直接導(dǎo)致連接界面甚至石墨本體開裂，制約了高熱通量散熱結(jié)構(gòu)的一體化成形。目前石墨與金屬的連接方法主要有粘結(jié)、機(jī)械包嵌、真空釬焊、真空擴(kuò)散焊等[1?2]，研究最多、應(yīng)用最廣的焊接方法當(dāng)屬釬焊和擴(kuò)散焊。其中，釬焊以其加熱溫度低、對(duì)母材組織和性能影響較小、焊接變形較小、可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是石墨與鋁、銅、鎢、鉬、鈦、鐵合金連接中較為常用且效果較好的連接方法，采用釬料包括Ag-Cu-Ti，Al-Cu，Sn-Ag-Cu-Ti，Ni-Cr-P-Cu，Ti-Zr-Cu-Ni 等。此外，添加中間層的擴(kuò)散焊乃至于放電等離子焊接也有了一定的運(yùn)用。通過金屬中間層的構(gòu)建，可以降低界面熱阻；也可以通過焊接表面改性處理實(shí)現(xiàn)其與金屬連接性能的過渡。Barako 等學(xué)者[3]發(fā)現(xiàn)：碳材料的焊接相對(duì)于其它物理連接方法，可以獲得降低很多的界面熱阻及較良好界面連接性能。文中將回顧石墨與金屬的各種連接技術(shù)，對(duì)成果進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，對(duì)石墨/金屬焊接技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 石墨與合金的釬焊

盡管各種結(jié)構(gòu)的碳材料在性質(zhì)上存在差別，但其原子結(jié)合方式多為共價(jià)鍵，與存在大量自由電子的金屬材料有很大差異。這使得碳材料和金屬材料的冶金相容性較差，導(dǎo)致碳材料和金屬的釬焊存在諸多難點(diǎn)。近年來，較多研究表明：通過向釬料中加入活性元素，在釬焊過程中碳材料與活性元素在固液界面處發(fā)生界面反應(yīng)，形成連續(xù)的界面反應(yīng)產(chǎn)物(碳化物)，達(dá)到較良好濕潤(rùn)石墨表面的效果，從而實(shí)現(xiàn)碳材料與金屬的冶金連接。

1.1 石墨與鋁合金的釬焊

劉新亞[4]采用Sn5Ag8Ti 及Sn5Ag2Ti1Al 活性釬料分別在450 ℃保溫條件下開展真空釬焊及超聲波輔助釬焊試驗(yàn)，研究了超聲波對(duì)石墨/6063 鋁合金（熔點(diǎn)568～652 ℃）釬焊的輔助作用。結(jié)果表明：在超聲波作用下，釬料與石墨的潤(rùn)濕性顯著提高，一方面是由于超聲波的能量加熱和振動(dòng)共同作用破除了釬料與母材表面的氧化膜，另一方面是因?yàn)槌暷芰康囊胧沟免F料中的Sn-Ti 金屬間化合物更多的熔解到Sn 基體中，也即增加了活性元素Ti 的濃度。Ti 和Ag 原子分別對(duì)石墨和鋁合金選擇性正偏析。其中，Ag 和Al 互擴(kuò)散形成電子化合物，又稱休姆?羅瑟里相。由于Ag 和Al 不能無限互溶，因此少量的Ag 原子只能在界面處偏聚。此外，根據(jù)Ti-Al 二元合金相圖可知，Al 與Ti 形成金屬間化合物，促進(jìn)釬料與鋁合金側(cè)的連接。在真空釬焊中，釬料與石墨側(cè)的連接主要由TiC 界面反應(yīng)占主導(dǎo)。當(dāng)釬料中含有Al 元素時(shí)，由于有Al 元素的保護(hù)，界面上Ti 元素較少與氧反應(yīng)，Ti 元素?fù)p失較少，Ti 元素的濃度更高，因此更多的Ti 元素向石墨擴(kuò)散，生成的TiC 層相比無Al 釬料時(shí)更厚。在大氣環(huán)境中進(jìn)行超聲波輔助釬焊時(shí)，由于超聲無法徹底根除釬料氧化膜，使得Ti 元素向石墨擴(kuò)散困難，界面僅形成約20 nm 厚的非晶TiC 層，經(jīng)TEM 觀察表征得到，極薄的TiC 層仍起到改善釬料在石墨表面潤(rùn)濕性的作用。該研究側(cè)重釬料潤(rùn)濕性及連接機(jī)理研究，并未開展接頭力學(xué)性能的測(cè)試，且低溫焊接元素?cái)U(kuò)散動(dòng)力不足，造成TiC 的SEM 觀察表征困難。

石墨側(cè)TiC 的反應(yīng)生成式為[5]

根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，以上界面反應(yīng)是完全可以進(jìn)行的，石墨/SnAgTi 釬料/鋁接頭反應(yīng)產(chǎn)物及焊后組織結(jié)構(gòu)如圖1 所示。然而，因溫度遠(yuǎn)低于Ti 的熱激活溫度，Ti 和C 之間的元素互擴(kuò)散不足，影響界面鍵合質(zhì)量。

圖1 石墨/SnAgTi 釬料/純鋁超聲輔助釬焊接頭[5]

Wojdat 等學(xué)者[6]通過電鍍及冷噴涂的方式在石墨表面鍍銅，而后在低溫下實(shí)現(xiàn)石墨與6060 鋁合金的良好焊接。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：采用電鍍銅層的接頭連接質(zhì)量較好，僅在樣品邊緣存在一些氣孔、焊劑殘留物缺陷，對(duì)接頭性能的影響可以忽略。而采用冷噴涂沉積夾層的接頭可以觀察到一些裂紋和孔隙，接頭抗剪強(qiáng)度約為17.6 MPa。

Tuan 等學(xué)者[7]采用68.8Ag-16.7.Cu-4.5Ti（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）釬料，選擇釬焊溫度1 050 ℃、保溫時(shí)間15 min進(jìn)行了石墨與氧化鋁陶瓷連接。通過XRD 分析發(fā)現(xiàn)：石墨與釬料界面的碳化物過渡層形成了冶金連接，且該碳化物過渡層幾乎對(duì)導(dǎo)熱性能沒有影響。

為了研發(fā)用于金屬與非金屬連接的活性釬料，許多研究開展了活性元素在不同條件下化學(xué)活性的分析。Chen 等學(xué)者[8]計(jì)算了SnAgTi 及SnTi 體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，證明Ti 元素的活度系數(shù)隨著Ag 元素的含量升高而提升。Zhang 等學(xué)者[9]研究發(fā)現(xiàn)，Ti 在Ag中的活性系數(shù)約是其在Cu 中的30 倍以上，且Ag 元素可以促進(jìn)Ti 元素與C 元素形成TiC，因此提高釬料中Ag 元素的含量可以顯著的促進(jìn)活性元素Ti 與石墨的反應(yīng)。

除釬焊之外，學(xué)者也嘗試研發(fā)新的石墨/鋁合金焊接工藝。Strawn 等學(xué)者[10]通過攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了石墨與6061 鋁合金的焊接，如圖2 所示，但接頭強(qiáng)度很低，后續(xù)仍需優(yōu)化工藝以提升接頭強(qiáng)度。

圖2 石墨/鋁合金攪拌摩擦焊接頭形貌[10]

1.2 石墨與銅合金的釬焊

在石墨與銅合金釬焊方面，應(yīng)用最廣泛研究最深入的釬料是AgCuTi 釬料。劉嚴(yán)偉等學(xué)者[11]在石墨/銅的釬焊中，采用Ti 元素含量為8%的Ag-Cu-Ti 釬料，相應(yīng)的釬料熔點(diǎn)為850 ℃左右。發(fā)現(xiàn)最優(yōu)化的釬焊溫度為910 ℃、保溫時(shí)間為10 min，最高接頭抗剪強(qiáng)度約為15.4 MPa。

張小英等學(xué)者[12?13]采用Ag-Cu-Ti 釬料，分別在添加及不添加Nb 中間層的情況下，釬焊C/C 復(fù)合材料和純銅，釬料與石墨的良好結(jié)合通過反應(yīng)生成的TiC 中間層實(shí)現(xiàn)。界面反應(yīng)顯著改善了釬料與石墨的濕潤(rùn)性，同時(shí)添加Nb 中間層的接頭擁有更高的抗彎強(qiáng)度。

Singh 等學(xué)者[14]采用Ag-Cu-Ti 釬料連接泡沫石墨和預(yù)置Mo 鍍層的銅合金，發(fā)現(xiàn)Ti 元素在石墨側(cè)存在富集，而Cu 元素多富集于Cu/Mo/釬料界面。

除了Al-Cu，Ag-Cu-Ti，Ag-Cu-Sn-Ti 及添加過渡層或增強(qiáng)相的釬料以外，學(xué)者也開發(fā)出了其它合金體系的活性釬料。Branca 等學(xué)者[15]采用Cu-Ti 釬料連接C/C 復(fù)合材料與Cu 合金，為了控制界面金屬間化合物層的厚度，在釬料中加入一定量的碳纖維，與釬料中的Ti 元素形成復(fù)合材料，使得生成的脆性TiC 化合物層厚度降低，提高了接頭強(qiáng)度。

Zhang 等學(xué)者[16]采用Ni-Cr-P-Cu 釬料釬焊石墨與銅合金，分析了釬焊溫度對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響。因釬料中添加Cr 為活性元素，界面反應(yīng)產(chǎn)物主要為Cr2C3。當(dāng)焊接溫度為950 ℃時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度最高，達(dá)到60 MPa，隨著溫度升高至980 ℃，接頭抗剪強(qiáng)度降低為37 MPa，釬焊界面處可以觀察到明顯的裂紋，這可能是由于高溫下釬料與石墨的熱膨脹系數(shù)及彈性模量相差較大引起的。Zhou 等學(xué)者[17]采用Ti-Zr-Cu-Ni 箔狀釬料實(shí)現(xiàn)了滲硅石墨與鉻鋯銅合金的釬焊連接，連接界面上可以觀察到裂紋，當(dāng)采用鉬和無氧銅作為緩沖層時(shí)可以減少裂紋的出現(xiàn)，大大提高接頭剪切強(qiáng)度，最高可超過20 MPa。

謝鳳春[18]采用TiZrNiCu 非晶釬料釬焊石墨/Cu，獲得的接頭界面結(jié)構(gòu)為石墨/TiC/Ti-Cu，Cu-Zr，Ni-Ti系金屬間化合物/Cu 基固溶體/Cu，接頭抗剪強(qiáng)度最大值為26 MPa，接頭平均電阻為3.3 m?。采用AgCuTiSn 粉末釬料（圖3）時(shí)，石墨/AgCuTiSn/Cu 釬焊接頭界面結(jié)構(gòu)為石墨/TiC/Ti3Sn+Ag(s.s)+Cu-Sn 化合物+Cu(s.s)/Cu(s.s)/Cu，經(jīng)分析，界面反應(yīng)可分為4個(gè)階段：表面物理接觸；Sn 元素的熔化，其它元素的局部熔解；原子擴(kuò)散、母材熔解、釬料向母材滲入及形成界面反應(yīng)層；金屬間化合物的析出、Ag(s.s)和Cu(s.s)的凝固，最佳工藝下，接頭的抗剪強(qiáng)度為24 MPa。

圖3 界面元素分布（AgCuTiSn 釬料）[18]

朱艷等人[19]采用SnAgCu 釬料釬焊鍍Ni 石墨與銅，釬焊溫度較低且保溫時(shí)間較短。經(jīng)研究，確定最佳釬焊工藝：釬焊溫度為275 ℃、保溫時(shí)間為30 s，接頭抗剪強(qiáng)度為20 MPa，碳化物層厚度隨保溫溫度升高及保溫時(shí)間延長(zhǎng)而增加。采用Ag-Cu-Ti 釬料對(duì)石墨/銅進(jìn)行真空釬焊，得到的接頭組織為石墨/TiC/Ag-Cu 共晶組織+銅基固溶體/釬料與銅的擴(kuò)散層/銅，確定最佳釬焊工藝：釬焊溫度為870 ℃、保溫時(shí)間為15 min，接頭抗剪強(qiáng)度最高可達(dá)到17 MPa。

黃曉猛等學(xué)者[20]研究了低溫焊接石墨與銅合金的方法，先采用Ag-Cu-Ti 合金焊膏對(duì)石墨表面進(jìn)行真空活性金屬化，再采用Sn-Ag 釬料在低溫下與銅連接，Ag-Cu-Ti 合金焊膏在石墨表面作用明顯，生成TiC化合物反應(yīng)層，石墨表面的釬料層厚度約為60 μm；Sn-Ag 合金釬料與石墨金屬層潤(rùn)濕良好，潤(rùn)濕角為16°，中間反應(yīng)層以Ag3Sn 金屬間化合物為主。當(dāng)保溫時(shí)間為10～15 s 時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到39 MPa。

魏艷妮等學(xué)者[21]設(shè)計(jì)了一種波形界面提高銅石墨接頭強(qiáng)度的方法，以解決銅/石墨異質(zhì)接頭的連接強(qiáng)度不高的問題。采用Cu 和TiH2組成的釬料解決了Cu 在石墨表面潤(rùn)濕性差的問題，并且引入了波形界面結(jié)構(gòu)(即波形凹槽)，既增大了銅/石墨的連接面積，還改善了接頭殘余應(yīng)力的大小和分布狀態(tài)。

1.3 石墨與其它合金的釬焊

近年來，因應(yīng)用需求，石墨與其它金屬釬焊的研究也有報(bào)道。Hammond 等學(xué)者[22]采用在石墨表面沉積Cr3C2，在鎢表面液相燒結(jié)Ni-Fe-W 合金的方法，采用銅基釬料實(shí)現(xiàn)了石墨/鎢的連接，連接質(zhì)量良好。

劉瑞芬[23]使用加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯制成的TiNiCu 復(fù)合釬料實(shí)現(xiàn)了石墨/鎢真空釬焊連接，加入GNPs 的釬料在熔煉時(shí)發(fā)生冶金反應(yīng)生成了新相TiC，這些TiC 相傾向于均勻分布在Ti2(Ni,Cu)周圍，起到細(xì)化釬縫組織的效果。

丁立平等學(xué)者[24]采用Ti 基釬料在較低溫度下（1 600～1 900 ℃）實(shí)現(xiàn)石墨/鎢真空反應(yīng)釬焊并滿足高溫（2 500 ℃以上）使用要求，討論了釬焊接頭再熔化溫度提升的機(jī)理。

熊國(guó)剛[25]采用Ti 基釬料及Zr 基釬料釬焊石墨與TZM 合金。Ti 基釬料與石墨和TZM 合金通過接觸反應(yīng)釬焊和擴(kuò)散釬焊形成性能良好的釬接組織。釬縫由TiC，Ti 和Ti-Mo 固溶體等組成，其中TiC 提高了接頭的力學(xué)性能，抗剪強(qiáng)度大于13.0 MPa，斷裂大多發(fā)生于石墨基材，且釬縫重熔溫度高于1 600 ℃，滿足高溫使用要求。在加壓條件下，采用Zr 釬料獲得的釬縫組織由ZrC，Zr 及Mo-Zr 等組成，抗剪強(qiáng)度大于10.1 MPa，但釬料存在流失現(xiàn)象，接頭質(zhì)量穩(wěn)定性較差。

1.4 活性釬料的作用和潤(rùn)濕性研究

金屬與石墨連接主要需突破2 個(gè)技術(shù)瓶頸，其一是界面冶金不相容，其二則是極高的界面殘余應(yīng)力。因此，選擇和設(shè)計(jì)合理的釬料及過渡層以改善連接質(zhì)量，對(duì)于保障連接構(gòu)件的高可靠性、長(zhǎng)壽命運(yùn)行至關(guān)重要。

活性釬焊法是針對(duì)以上問題提出的可行方案，指的是通過在釬料金屬中添加活性元素或碳化物形成元素（如 Ni，V，Mn，Ti，Cr，Al 及Si 等）以提高釬料合金的活性，或使其在釬焊過程中在界面處形成碳化物過渡層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬在碳材料表面潤(rùn)濕鋪展的方法[26]。

Naidich 等學(xué)者[27]研究了釬料中常用元素在石墨表面的濕潤(rùn)性。金屬在石墨表面的潤(rùn)濕性與物理、化學(xué)和冶金性質(zhì)綜合因素有關(guān)。在其研究中，Sn，Ag，Cu，Pb，Sb 及In 等元素與石墨的濕潤(rùn)角均在90°以上，無法濕潤(rùn)石墨表面。隨著溫度的升高，濕潤(rùn)性逐漸增強(qiáng)，但即便達(dá)到了1 000 ℃的高溫，仍難以濕潤(rùn)石墨表面。

劉金狀等學(xué)者[28]研究了Ni 及Ti 元素與石墨的濕潤(rùn)性，采用座滴法測(cè)量了Ni 粉及Ti 粉與石墨的接觸角。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Ti 元素含量較低時(shí)，濕潤(rùn)性并不隨元素含量的變化而變化；但當(dāng)Ti 元素較高時(shí)，潤(rùn)濕性會(huì)隨著Ti 元素含量的提升而顯著提升；保溫時(shí)間對(duì)Ni 元素含量并沒有明顯的影響。

Hu 等學(xué)者[29]添加Cr 元素至SnAgCu 釬料中，研究了其在石墨表面的濕潤(rùn)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Cr 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%時(shí)（圖4），釬料在石墨表面表現(xiàn)出良好的濕潤(rùn)性。溫度較低時(shí)，釬料在石墨表面潤(rùn)濕性較差；當(dāng)溫度提升到750 ℃以上時(shí)，形成的碳化物反應(yīng)層對(duì)提升釬料潤(rùn)濕性有顯著作用。

Fu 等學(xué)者[30]研究了Ti 元素對(duì)SnAgCu 釬料在石墨表面濕潤(rùn)性的影響。當(dāng)Ti 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，濕潤(rùn)角最小，達(dá)到21°。當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃以上時(shí)，界面處生成碳化物層。

馬天軍等學(xué)者[31]采用陰極電弧離子鍍技術(shù)在熱解石墨基材上制備CrNi 膜層，隨后研究了Ag72Cu28釬料在其表面的濕潤(rùn)性。通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)：釬料與石墨的濕潤(rùn)角可以達(dá)到12°，濕潤(rùn)性良好。

大量研究表明：活性元素不僅在金屬鍵和共價(jià)鍵之間搭建了中間橋梁，從根本上解決了金屬與非金屬之間不能互溶和反應(yīng)的問題，也通過在界面上引入具有延展性且熱膨脹系數(shù)適中的合金過渡層，一舉起到了緩沖連接界面應(yīng)力的作用。

石墨自身抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，而石墨和金屬高溫釬焊連接及在高溫環(huán)境中服役時(shí)的界面熱應(yīng)力水平很高，嚴(yán)重時(shí)接頭發(fā)生開裂。選擇Ag-Cu-Sn 及Al-Si-Cu 基低熔點(diǎn)釬料，通過釬料成分調(diào)控可將釬焊時(shí)連接溫度降低。通過降低連接時(shí)釬焊溫度，從而改善連接母材與被連接母材之間的熱錯(cuò)配，是降低接頭殘余應(yīng)力的解決方案。Ag-Cu-Sn 釬料中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Sn 時(shí)，釬料熔化溫度為600～730 ℃，比如Ag-Cu-Sn10-Ti1 用于金剛石和銅釬焊時(shí)，焊接溫度選擇為750 ℃；Al-Si-Cu 釬料中當(dāng)三者為共晶成分A1-5.5Si-28Cu 時(shí)，共晶溫度為525 ℃，在此基礎(chǔ)上引入Ti 等活性元素能夠滿足碳材料與鋁，銅等合金的高質(zhì)量連接要求。低熔點(diǎn)釬料還包括低熔點(diǎn)玻璃釬料及低溫軟釬料。一般認(rèn)為玻璃釬料脆性較大；低溫軟釬料包括 Sn-Ag-Cu，Sn-Pb，Sn-Zn 等，接頭強(qiáng)度較低，同時(shí)由于接頭服役溫度較高，會(huì)引起軟釬焊接頭蠕變失效。

由此可見，采用單一的高熔點(diǎn)釬料和低熔點(diǎn)釬料無法實(shí)現(xiàn)連接性能和熱應(yīng)力的良好匹配，引入過渡層是平衡以上矛盾點(diǎn)的有效方案。傳統(tǒng)的石墨和金屬焊接時(shí)，一般采用電鍍、化學(xué)鍍等工藝在石墨上沉積一層金屬層，然后采用釬焊或者擴(kuò)散焊連接。但電鍍、化學(xué)鍍等手段在石墨上形成的金屬層只是機(jī)械結(jié)合，抗拉力較低，這也嚴(yán)重影響了后續(xù)焊接的可靠性。近幾年，也有學(xué)者提出采用活性金屬粉末預(yù)金屬化后再進(jìn)行焊接的工藝，經(jīng)重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用高溫金屬粉末金屬化工藝，容易造成石墨表面反應(yīng)層過厚，極大降低石墨與金屬的焊接強(qiáng)度。綜合比較認(rèn)為，采用磁控濺射金屬層沉積工藝，金屬層和石墨之間可以形成納米級(jí)的金屬間化合物連接界面，后續(xù)采用釬焊工藝進(jìn)行石墨和金屬的焊接后，連接強(qiáng)度取得了較大的提高。這對(duì)提高石墨和金屬連接可靠性有著較大的技術(shù)意義。

2 石墨與金屬的擴(kuò)散焊

由于液態(tài)釬料借助毛細(xì)作用滲入到石墨孔隙內(nèi)具有一定難度，導(dǎo)致釬焊過程中釬料向石墨的滲透深度有限，而加壓擴(kuò)散連接能有效彌補(bǔ)石墨與金屬擴(kuò)散連接時(shí)該方面的不足[32]。

李啟壽等學(xué)者[33]以AgCuTi 合金粉末為過渡層對(duì)石墨與紫銅進(jìn)行擴(kuò)散連接試驗(yàn)。分析認(rèn)為，接頭界面組織結(jié)構(gòu)（圖5）為：石墨/TiC/銅基固溶體+富銀區(qū)/銅。在保溫溫度870 ℃、焊接壓力200 kPa、保溫保壓時(shí)間10 min 的工藝條件下，接頭抗剪強(qiáng)度為17 MPa，且斷裂發(fā)生于石墨。在該溫度下，Ti 元素向石墨界面偏聚，反應(yīng)生成TiC，使得過渡層可以濕潤(rùn)石墨表面，以實(shí)現(xiàn)冶金連接，通過Cu 母材向液態(tài)過渡層熔解形成典型的共晶連接。

溫亞輝等學(xué)者[34?35]以Cr，Ni 混合粉末做中間層，在焊接溫度為1 650 ℃，保溫時(shí)間1～2 h，加壓0.1 MPa條件下對(duì)鉬和石墨進(jìn)行擴(kuò)散焊接。焊接過程與瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊連接機(jī)理一致，石墨基體中也明顯有含合金元素的新相生成，有利于實(shí)現(xiàn)基體與中間層的連接。在此基礎(chǔ)上，溫亞輝等學(xué)者分別以Cr-Ni 粉、Cr-Ni-Cu 壓制薄片、Cr-Ni-Ti 粉作中間層于1 650 ℃下真空保溫1 h 對(duì)鉬和石墨進(jìn)行焊接，其中以Cr-Ti 粉作中間層時(shí)所得接頭的抗剪強(qiáng)度最大，約為14 MPa，超過了石墨的抗剪強(qiáng)度（10 MPa）；3 種焊接接頭界面都有脆性相出現(xiàn)，其分布受中間層的成分和形成的固溶體影響，而且脆性相中存在大量微裂紋，是影響接頭抗剪強(qiáng)度的因素之一。

高百武[36]在石墨表面鋪上一層厚度為0.1 mm的45 μm（320 目）石墨粉后，在1 220 ℃下保溫45 min實(shí)現(xiàn)了石墨板與16Mn 鋼板的擴(kuò)散焊連接，在800 ℃的使用條件下不脫層，常溫使用時(shí)也沒有分層現(xiàn)象，滿足作為模具的使用要求。

劉慧云等學(xué)者[37]采用放電等離子技術(shù)對(duì)石墨和980 鋼異種難焊材料進(jìn)行焊接，在焊接溫度950 ℃、壓力40 MPa、保溫3 min 的工藝下，石墨／980 鋼接頭界面結(jié)合良好，無微觀缺陷；界面區(qū)鋼側(cè)過渡區(qū)出現(xiàn)了先共析滲碳體，石墨側(cè)過渡區(qū)特征不明顯。脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波及電子、離子在電場(chǎng)中反方向的高速流動(dòng)，可使980 鋼表面的氧化膜在一定程度上被擊穿，使試樣得以凈化、活化；焊接壓力促進(jìn)材料界面在微觀尺度上發(fā)生塑性變形進(jìn)而緊密接觸；焊接溫度為原子擴(kuò)散提供了躍遷激活能；定向電場(chǎng)為元素?cái)U(kuò)散提供驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)了界面C 原子與Fe，Cr反應(yīng)生成碳化物。

3 石墨與金屬連接性能

石墨與金屬連接需通過提升連接界面質(zhì)量以保證性能，充分發(fā)揮石墨本體的優(yōu)越性能。一般情況下，接頭力學(xué)性能（包括室溫和高溫強(qiáng)度）是基本要求，根據(jù)現(xiàn)有報(bào)道數(shù)據(jù)可知，常規(guī)石墨（室溫抗剪強(qiáng)度為10 MPa）與金屬連接接頭室溫抗剪強(qiáng)度平均值在20 MPa 左右，高強(qiáng)石墨（室溫抗剪強(qiáng)度為65 MPa）與純銅連接接頭室溫抗剪強(qiáng)度最高達(dá)60 MPa。此外，功能性石墨與金屬連接部件還需評(píng)價(jià)導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱震或者氣密性能。謝鳳春[18]面向碳換向器制造，采用TiZrNiCu 非晶釬料釬焊石墨/Cu，在1 223 K×900 s和1 173 K×600 s 參數(shù)下獲得接頭的平均電阻為3.3 m?和3.2 m?，均滿足使用要求，并且從電阻極差、相鄰葉片電阻差、方差等因素分析，得到在1 223 K/900 s試驗(yàn)條件下獲得接頭電阻具有最高的穩(wěn)定性。程皓月等學(xué)者[38]面向衛(wèi)星電子載荷模塊發(fā)熱量激增引起的散熱問題，設(shè)計(jì)了石墨鋁Al/Gp420/40 固態(tài)均熱板并測(cè)試了其導(dǎo)熱性能，經(jīng)測(cè)試，均熱板內(nèi)的石墨鋁與鋁合金界面接觸熱阻較小，均熱板的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)相比鋁合金大幅度提升，且均熱板經(jīng)熱沖擊后，導(dǎo)熱性能變化不大。袁博等學(xué)者[39]面向微波電真空器件行波管制造需求，采用真空多弧離子鍍技術(shù)在熱解石墨基體表面蒸鍍Cr 膜和Ni 膜，以對(duì)熱解石墨表面進(jìn)行改性，隨后將之與Cu 合金部件在氫氣爐中焊接，滿足了封接的氣密性要求。隨著石墨與金屬互連組件應(yīng)用需求增加，超聲輔助焊接、放電等離子焊接、表面鍍膜等新技術(shù)持續(xù)發(fā)展，有關(guān)石墨與金屬組織與性能調(diào)控方面的研究數(shù)據(jù)將不斷積累，為工業(yè)應(yīng)用提供更成熟的技術(shù)保障。

4 結(jié)束語

（1）石墨/金屬連接涉及到界面反應(yīng)和原子擴(kuò)散問題，需建立焊接工藝與界面組織演變之間的定量關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)界面微觀組織的精準(zhǔn)調(diào)控，為提高連接性能提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。

（2）在散熱領(lǐng)域，亟需突破石墨與鋁合金連接可靠性差、連接界面易開裂造成界面熱阻高的難題。目前，研發(fā)的釬料和合金過渡層普遍具有較高的熔點(diǎn)，致使石墨與金屬的連接溫度較高，這對(duì)石墨與鋁合金的連接提出更大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)低熔點(diǎn)高活性的釬料及中間層仍是目前國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，需通過焊接接頭熱導(dǎo)率測(cè)試豐富界面熱阻數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立其與釬料合金類型、焊合率等之間的數(shù)理模型。

（3）開展石墨/金屬連接界面熱應(yīng)力的精確模擬和調(diào)控，為焊接工藝和材料優(yōu)化提供借鑒。

（4）超聲輔助釬焊在解決活潑金屬易氧化造成的金屬與石墨潤(rùn)濕不良問題方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)石墨與金屬在低溫大氣環(huán)境中連接需關(guān)注的工藝。相關(guān)研究將為工程化應(yīng)用提供工藝指導(dǎo)和理論基礎(chǔ)。

（5）由于石墨具有良好的導(dǎo)電性，因此，放電等離子釬焊及放電等離子擴(kuò)散焊在石墨與金屬連接方面具有獨(dú)特的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

（6）采用磁控濺射等鍍膜方法在石墨表面制備梯度過渡層，實(shí)現(xiàn)物理、冶金和力學(xué)多影響因素協(xié)同調(diào)控方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景良好。