陶瓷与金属连接的问题与解决方案

由于陶瓷材料与金属原子结构之间存在本质上的差别，加上陶瓷材料本身特殊的物理、化学性能，因此，无论是与金属连接还是陶瓷本身的连接都存在不少问题。当陶瓷与金属连接时，为了实现二者的可靠结合，需要在连接材料之间作一个界面。这个界面材料应符合以下几点要求：

①界面材料与被焊材料有相近的线胀系数。

②合理的结合类型，也就是离子／共价键结合。

③陶瓷与金属间晶格的错配。

陶瓷与金属材料焊接中出现的主要问题如下。

1.陶瓷与金属焊接中的热膨胀与热应力

陶瓷的线胀系数比较小，与金属的线胀系数相差较大，通过加热连接陶瓷与金属时，热胀冷缩使接头区产生很大的残余应力，削弱接头的力学性能；热应力较大时还会产生裂纹，导致连接陶瓷接头的断裂破坏。

控制应力的方法之一是在焊接时尽可能地减少焊接部位及其附近的温度梯度，控制加热和冷却速度，降低冷却速度有利于应力松弛而使应力减小。另一个减小应力的办法是采用金属中间层，使用塑性材料或线胀系数接近陶瓷线胀系数的金属材料。

2.陶瓷与金属很难润湿(www.xing528.com)

陶瓷材料润湿性很差，或者根本就不润湿。采用钎焊或扩散焊的方法连接陶瓷与金属材料，由于熔化的金属在陶瓷表面很难润湿，故难以选择合适的钎料与基体结合。为了使陶瓷与金属达到钎焊连接的目的，最基本条件之一是使熔融钎料对陶瓷表面产生润湿，或提高对陶瓷的润湿性，最后达到钎焊连接。例如，采用活性金属Ti在界面形成Ti的化合物，可获得良好的润湿性。

此外，在陶瓷连接过程中，也可在陶瓷表面进行金属化处理（用物理或化学的方法覆上一层金属），然后再进行陶瓷与陶瓷或陶瓷与其他金属的连接。这种方法实际上就是把陶瓷与陶瓷或陶瓷与其他金属的连接变成了金属之间的连接，但是这种方法的接头结合强度不高，主要用于密封的焊缝。

3.易生成脆性化合物

由于陶瓷和金属的物理、化学性能差别很大，连接时界面处除存在着键型转换以外，还容易发生各种化学反应，在结合界面生成各种碳化物、氮化物、硅化物、氧化物以及多元化合物等。这些化合物硬度高、脆性大，是产生微裂纹和造成接头脆性断裂的主要原因。

确定界面脆性化合物相时，由于一些轻元素（C、N、B等）的定量分析误差很大，需制备多种试样进行标定。多元化合物的相结构确定一般通过X射线衍射方法和标准衍射图谱进行对比，但有些化合物没有标准图谱，使物相确定有一定的难度。

4.陶瓷与金属的结合界面

陶瓷与金属接头在界面间存在着原子结构能级的差异，陶瓷与金属之间是通过过渡层（扩散层或反应层）而结合的。两种材料间的界面反应对接头的形成和组织性能有很大的影响。接头界面反应和微观结构是陶瓷与金属焊接研究中的重要课题。

陶瓷材料主要含有离子键或共价键，用通常的熔焊方法使金属与陶瓷产生熔合是很困难的。用金属钎料钎焊陶瓷材料时，或者对陶瓷表面先进行金属化处理，对被焊陶瓷的表面改性；或是在钎料中加入活性元素，使钎料与陶瓷之间有化学反应发生，通过反应使陶瓷的表面分解形成新相，产生化学吸附机制，这样才能形成结合牢固的陶瓷与金属结合的界面。