无机非金属材料与金属材料连接的研究概述

赵大地 赵玲玲 白岩岩 乔艺 张焯寓

摘 要：分析无机非金属材料和金属材料连接过程中遇到的主要难题可知，其中主要阻碍是两种材料的物理化学性不相容，同时还受到连接热应力的阻碍。常见的无机非金属材料包含玻璃和陶瓷等，陶瓷属于绝缘体的一种，在其和玻璃连接的过程中，由于玻璃材料具有良好的透光性，容易加工，其能够转换成不同的形状等优势在真空领域的应用状况良好。无机非金属材料和金属材料之间连接的形式很多，例如，玻璃和金属材料的封接、陶瓷和金属材料的封接、陶瓷和金属材料的活性钎焊、陶瓷和金属材料的瞬间液相扩散焊、陶瓷和金属材料的熔钎焊等，下文将做详细介绍。

关键词：无机非金属材料;金属材料;连接

一、玻璃—金属封接工艺

玻璃和金属材料的封接工艺对金属表面实施预氧化操作，在达到预氧化标准之后能够实现二者的连接，分析Kovar合金的性质可知，其热膨胀系数十分接近于玻璃，能够显著降低两种材料的连接热应力阻碍。玻璃-金属封接工艺结合过程中需要解决的重点问题是两种化学材料的不相容和热应力的问题，玻璃是典型的非金属材料，其内部结构是共价键连接结构，金属材料的结合方式是电子云，因此阻碍了二者的结合。

玻璃和金属的热膨胀系数差距很大，即使两种物质能够在润湿的条件下连接，也会在冷却的时候受到应力影响，可能会导致玻璃发生炸裂。为了解决玻璃材料和金属材料两种不同物质的物理化学性质不相容的状况，需要首先对两种材料的性质进行改变，由此实现熔融玻璃和金属的润湿铺展。为了解决玻璃材料和金属材料之间的封接应力难题，研究学者将研究重点放在两种材料的热膨胀系数商，开始寻找热膨胀系数接近的金属材料和玻璃材料，例如，常使用的Fe-Co-Ni系列膨胀合金和封接玻璃。

二、陶瓷—金属封接工艺

陶瓷和金属材料连接使用的封接工艺其连接原理主要是对陶瓷材料的表面实施固定操作来拉近两种材料的性质相似性，例如，通过涂膏方式、烧结方式、电镀方式等，经过以上操作的实施，能够在陶瓷表面形成一种十分相近于金属材料的金属化层，提升二者连接的紧密性，由此才能实现二者的融合，保证陶瓷表面达到能够和金属材料钎焊连接的要求。根据近年来的研究显示，很多研究将关注点放在无机非金属材料和金属材料的连接上，在该过程中的连接问题可能会受到化学不相容或者热应力问题的阻碍。就目前来看，很多工厂针对用陶瓷和金属材料之间的连接使用烧结金属粉末法。分析陶瓷-金属封接工艺的重要环节可知，陶瓷表面金属化层的质量才是重点，决定了二者的连接质量。

无机非金属材料和金属材料在进行金属化操作的过程中，其中的Mo颗粒会发生状态的变化，从原先的状态变成骨架结构，其中金属粉中的玻璃能够填满整个骨架结构，不留空隙，填充完整。同时会将其和95%的陶瓷玻璃相连接在一起，利用毛细作用将其放入到陶瓷材料之中，由此能够拉近两种材料的属性，形成两者之间强度较高、十分细密的金属化层。当其中玻璃相的含量偏高的时候，网络骨架结构中会出现很多内闭合的气孔，国内研究学者针对以上内容的研究和分析焦点都在研究陶瓷表面的金属化分析上，重点研究内容是注重无机非金属材料金属化强度的提升。由于受到制作工艺局限性的影响，陶瓷会出现表面或者内部缺陷的状况，导致在实现金属和陶瓷连接过程中呈现出强度不集中的现象。

三、陶瓷—金属活性钎焊

陶瓷-金属活性钎焊的连接主要是通过活性元素的使用来完成陶瓷反应连接的过程，该种连接方式能够显著降低连接工艺的复杂程度，分析陶瓷-金属活性钎焊工艺的具体过程可知，在传统钎焊方法的指引下，利用活性成分来增加钎料对不同物质的亲和能力，例如，常见的活性成分包含氧化物、硅酸盐等。

四、陶瓷—金属过渡液相扩散焊

陶瓷-金属的活性钎焊工艺能够实现无机非金属材料和金属材料之间的连接，且连接可靠性较强，但该过程会出现接头受到高温高应力无法适应的状况，原因在于活性钎焊过程中连接的温度很低，如果一味提升钎焊温度的话，还会造成热应力的增加。

陶瓷和金属材料之间扩散焊进行的过程中，其中间层具有强大的复合能力，其整体结构是由一个很薄的熔点很低的金属铺置在厚度很高的核心层上面，由于金属或者合金的熔点偏低，当薄层受热融化后会流向高熔点的材料，在接触的时候发生反应，导致溶液消失，因此其中间合金或者中间层的性质主要决定物是高熔点位置的核心材料。

结语

无機非金属和金属材料的物理化学性是不相容的，同时还受到材料热应力的阻碍。首先，玻璃材料和金属的连接需要对玻璃实施预氧化，提升材料的湿润度，从而使用Kovar 合金等来拉近金属材料和无机非金属材料的热膨胀系数，降低二者连接过程的热应力问题。其次，陶瓷材料和金属材料的连接需要对陶瓷进行二次加工，对其实施涂膏、烧结、电镀等过程之后，在陶瓷的表面形成一种有利于二者连接的金属化层，有助于陶瓷和金属材料的连接，顺利完成钎焊。第三，陶瓷-金属活性钎焊过程需要使用活性元素来帮助连接完成，极大程度降低工艺的复杂程度。第四，陶瓷-金属过渡液相扩散焊工艺需要中间层的增加，降低钎焊的应力阻碍，提升接头处的性能和高温。可见无机非金属材料和金属材料的连接中，不同连接工艺都存在优势和缺陷，因此实际的工业生产活动和科学研究中，需要根据实际需求来适当选择连接方式。

参考文献

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