活性箔在焊接中的应用及其优化

活性箔可以用作焊接、铜焊或钎焊的局部热源发生器。双金属材料反应释放的总热量较小，非常适合于低温焊接敏感层和热膨胀系数差异较大的部件，例如焊接金属。Al／Ni多层箔的自蔓延放热反应已被用于金属玻璃［SWI 03］、钛合金［DUC 04］、不锈钢［WAN 04a］、硅晶片的焊接［QIU 08］，以及MEMS的封装［BRA 12a］。使用176μm厚的Al／Ni多层箔在160 MPa压力下焊接两种金属玻璃（Zr57Ti5Cu20Ni8Al10），接头可承受的最高剪切强度为483 MPa［SWI 03］。

此外，还可用于包括Cu、电镀Au、Al、SiC／Ti和Al／Al2O3等材料的焊接。图6.1给出了使用活性箔接合两个组件的示意图。

图6.1　焊接过程示意图［SWI 03］（版权2003，爱思唯尔出版集团）

（a）无焊料焊接（箔点火前和点火后）；（b）使用焊料介质焊接(www.xing528.com)

焊接质量的好坏取决于熔化持续时间和焊料／部件界面处的最大温度。调整一些参数可以取得较好的焊接效果，如施加的压力、箔厚度、待焊接的材料和焊料种类等。Weihs等描述了施加压力的大小（48～100 MPa）对使用Al／Ni纳米箔、AuSn和AgSn焊层反应性焊接不锈钢和Al合金试样的影响［WAN 04b］。对于给定的焊接系统，施加较高的焊接压力会增强熔融焊料的流动，并会因此改善材料间的润湿程度和焊接效果。施加的焊接压力决定了焊料持续熔化时间和焊料／元件界面处的最高温度取决于箔厚度（即取决于反应焓）以及焊料材料和组分的性质。熔化持续时间较长、界面处温度较高会增强焊料的流动，改善润湿条件会降低所需的焊接压力。

Kokonou等通过连续蒸发Al和Ni，将双金属Al／Ni纳米棒焊接在多孔氧化铝模板上，在孔的内部和孔壁顶部均有沉积，形成了多孔双金属Al／Ni覆盖层［KOK 09］。在图6.2横截面透射电镜图像中可以看到，在模板孔内存在双金属Al／Ni纳米棒，Al在底部，Ni在顶部。从图中可以清楚地看到，Al和Ni已经沉积在孔壁上，形成了多孔覆盖层。在多孔双金属膜上进行火花点火，实验发现该反应发生径向传播，产生了熔融镍铝化物，熔融的NiAl在多孔氧化铝基板上凝结成微球，这证实了该反应的反应热可以作为纳米级热源。同时表明了多孔氧化铝模板上的活性Al／Ni纳米棒可以作为流入和／或流出阳极氧化铝膜和纳米管的热致动阀装置，例如用于靶向送药。

图6.2　通过持续蒸发30 nm Al和30 nm Ni在多孔氧化铝模板孔内形成纳米棒的TEM图像，图中可看到多孔Al／Ni覆盖层［KOK 09］（版权2009，爱思唯尔出版集团）

通过反应抑制球磨实验制备的Al／氧化物纳米铝热剂也已经被应用在焊接中。例如由14Al／3CuO／Ni制备得到的点火温度较低的致密粉末已经用于焊接铝合金，焊接处的厚度约为750μm，可承受的平均剪切强度可达27 MPa。