《陶瓷的连接》PPT课件.ppt

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1、材料连接新技术材料连接新技术陶瓷材料的连接陶瓷材料的连接 第五章第五章太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院主要内容主要内容陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点陶瓷连接的要求和存在的问题陶瓷连接的要求和存在的问题陶瓷材料的焊接性问题陶瓷材料的焊接性问题陶瓷材料的连接方法陶瓷材料的连接方法太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院 1.陶瓷材料概论陶瓷材料概论 1.1 陶瓷概念陶瓷概念 陶瓷的英文名为陶瓷的英文名为Ceramic，起源于希腊语，起源于希腊语Keramos(意为意为陶器陶器)陶瓷是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化陶瓷是指以各种金属的

2、氧化物、氮化物、碳化物、硅化物为原料，经适当配料、成型和高温烧结等人工合成的物为原料，经适当配料、成型和高温烧结等人工合成的无机无机非金属材料非金属材料。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院特种陶瓷特种陶瓷普通陶瓷普通陶瓷陶陶 瓷瓷日日用用陶陶瓷瓷（包包括括艺艺术术陈陈列列陶陶瓷瓷）建建筑筑卫卫生生陶陶瓷瓷化化 工工 陶陶 瓷瓷化化 学学 瓷瓷电电瓷瓷及及其其他他工工业业用用陶陶瓷瓷1.2 陶瓷的分类陶瓷的分类按陶瓷概念和用途来分类按陶瓷概念和用途来分类 结结 构构 陶陶 瓷瓷功功 能能 陶陶 瓷瓷太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院结构陶瓷结构

3、陶瓷，是指那些利用其高强度、高硬度、良好，是指那些利用其高强度、高硬度、良好的耐磨性等力学性能及耐高温、耐腐蚀、抗氧化等的耐磨性等力学性能及耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特性，特性，作为结构部件作为结构部件使用的陶瓷材料。使用的陶瓷材料。功能陶瓷功能陶瓷，是指那些利用其电、磁、声、光、电、，是指那些利用其电、磁、声、光、电、热等直接效应和耦合效应所提供的一种或是多种性热等直接效应和耦合效应所提供的一种或是多种性质来质来实现某种使用功能实现某种使用功能的特种陶瓷。的特种陶瓷。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院特种陶瓷与传统陶瓷区别特种陶瓷与传统陶瓷区别太原科技大学材料科学与工

4、程学院太原科技大学材料科学与工程学院物质结构：物质结构：指组成材料的指组成材料的化学键和晶体结构化学键和晶体结构显微结构：显微结构：指在显微镜下指在显微镜下看到的结构看到的结构 陶瓷具有多相多晶体结构：陶瓷具有多相多晶体结构：由由晶相晶相(1)、玻璃相、玻璃相(2)和气和气相相(3)所组成所组成1.3.陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院1.3.1 晶相晶相 晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。性作用。晶相的性质：晶相的性质：结合键是离子键、共价键、混合键结合键是离子键、共价键、

5、混合键陶瓷晶相具有牢固结合键的性质，是陶瓷材料具有陶瓷晶相具有牢固结合键的性质，是陶瓷材料具有高熔点、高耐热性、高硬度、高耐蚀性和无塑性的根高熔点、高耐热性、高硬度、高耐蚀性和无塑性的根本原因本原因氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。Si3N4、SiC、BN等以共价键为主，称共价晶体。等以共价键为主，称共价晶体。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院-石英石英870-鳞石英鳞石英1470-方石英方石英1713熔融熔融SiO2573-石英石英163-鳞石英鳞石英117-鳞石英鳞石英180270方石英方石英急冷急冷加热加

6、热石英玻璃石英玻璃SiO2的同素异构转变的同素异构转变 有些晶相存在同素异构转变，同一种化合物能够获有些晶相存在同素异构转变，同一种化合物能够获得不同的晶体结构得不同的晶体结构太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院 晶粒越细，强韧性越高晶粒越细，强韧性越高细晶强化是提高陶瓷材料强韧性的有效措施细晶强化是提高陶瓷材料强韧性的有效措施晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉（晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉（Al2O3）晶）晶粒平均尺寸为粒平均尺寸为200m时，抗弯强度为时，抗弯强度为74MPa，1.8m时抗弯强度可高达时抗弯强度可高达570MPa。主晶相的性质是决定陶瓷性能的主要因

7、素主晶相的性质是决定陶瓷性能的主要因素 太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院 玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的非晶态物质。在冷却凝固时形成的非晶态物质。1.3.2 玻璃相玻璃相玻璃相的作用玻璃相的作用将分散的晶相粘结在一起；将分散的晶相粘结在一起；降低烧结温度；降低烧结温度；抑制晶相的晶粒长大抑制晶相的晶粒长大填充气孔。填充气孔。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院 气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔

8、。是生产过程中不气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。是生产过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为可避免的，陶瓷中的孔隙率常为510%，要力求使，要力求使其呈球状，均匀分布。其呈球状，均匀分布。气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。1.3.3 气相气相 气相可使陶瓷的密度减小，并能吸收振动；气相可使陶瓷的密度减小，并能吸收振动；用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高达增加气孔率，有时气孔率可高达60。

9、太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的结合键特点l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。共价键共价键离子键离子键太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院2.结构陶瓷的性能特点结构陶瓷的性能特点(1)线胀系数线胀系数 比金属低，大约比金属低，大约10-510-6K 铜：铜：17.710-6K 铝：铝：2310-6K 铁：铁：11.7610-6K 镁：镁：24.310-6K 随气孔率增加，陶瓷的热胀系数降低随气孔率增加，陶瓷的热胀系

10、数降低(2)熔点熔点 比金属高得多，一般在比金属高得多，一般在2000以上以上 铜：铜：1083 铝：铝：660 铁：铁：1538 镁：镁：650 故陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属。故陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属。2.1 物理性能物理性能太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院(3)导电性导电性 大多数是良好的绝缘体大多数是良好的绝缘体 也有一些半导体，如也有一些半导体，如NiO、Fe3O4等等(4)导热性导热性 导热性差，大多为良好的绝热体导热性差，大多为良好的绝热体 =10-210-5W/mK 随气孔率增加，陶瓷的热导率降低随气孔率增加，陶瓷的热导率降低太原科

11、技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院(5)有些陶瓷具有特殊的光学性能有些陶瓷具有特殊的光学性能 红宝石（红宝石（-Al2O3掺铬离子）、钇铝石榴石、含钕玻璃掺铬离子）、钇铝石榴石、含钕玻璃等可作固体激光材料；玻璃纤维可作光导纤维材料，等可作固体激光材料；玻璃纤维可作光导纤维材料，此外还有用于光电计数、跟踪等自控元件的光敏电阻此外还有用于光电计数、跟踪等自控元件的光敏电阻材料。材料。(6)磁性磁性 磁性陶瓷又名铁氧体或铁淦氧，主要是磁性陶瓷又名铁氧体或铁淦氧，主要是Fe2O3和和Mn、Zn等的氧化物组成的陶瓷材料，为磁性陶瓷材料，可等的氧化物组成的陶瓷材料，为磁性陶瓷材料，可用

12、作磁芯、磁带、磁头等。用作磁芯、磁带、磁头等。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院2.2 化学性能化学性能 化学稳定性高化学稳定性高 原因：原因：金属原子被非金属原子包围，受到非金属原子金属原子被非金属原子包围，受到非金属原子的屏蔽，因而形成极为稳定的化学结构。的屏蔽，因而形成极为稳定的化学结构。表现：表现：抗氧化抗氧化(不再与介质中的氧发生作用，甚至在不再与介质中的氧发生作用，甚至在1000的高温下也不会氧化的高温下也不会氧化)抗腐蚀抗腐蚀(具有较强的抵抗酸、碱、盐类的腐蚀，具有较强的抵抗酸、碱、盐类的腐蚀，以及抵抗熔融金属腐蚀的能力以及抵抗熔融金属腐蚀的能力)太原科

13、技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院2.3 力学性能力学性能(1)硬度硬度 硬度是各类材料中最高的，可作为刀具材料使用硬度是各类材料中最高的，可作为刀具材料使用 高聚物高聚物20HV 淬火钢淬火钢500800HV 陶瓷陶瓷10005000HV(2)强度强度 抗压不抗拉，抗压不抗拉，(抗拉强度很低，比抗压强度低一个数抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级量级)，抗弯，抗弯(抗弯强度高抗弯强度高)。内部存在微裂纹和气孔等缺陷内部存在微裂纹和气孔等缺陷，是导陶瓷材料抗拉，是导陶瓷材料抗拉强度较低的原因强度较低的原因 高弹性模量高弹性模量，E=100400GPa（金属（金属210）太原

14、科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院韧韧韧韧性性性性陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷硬硬硬硬度度度度压压压压痕痕痕痕脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院(3)塑性塑性 在室温几乎没有塑性，韧性差，脆性大，是陶瓷在室温几乎没有塑性，韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点的最大缺点在拉力作用下产在拉力作用下产生一定的弹性变生一定的弹性变形后直接断裂形后直接断裂太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院 冲击韧性、断裂韧性低冲击韧性、断裂韧性低 KIC 约为

15、金属的约为金属的1/601/100 几种材料的断裂韧性几种材料的断裂韧性材料材料KIC /MPa.m1/245钢钢90球墨铸铁球墨铸铁2040氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷3.55太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院(4)高温强度高、蠕变抗力高高温强度高、蠕变抗力高作为耐高温材料，已在工程中获得广泛应用作为耐高温材料，已在工程中获得广泛应用太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院3.几种常用的结构陶瓷几种常用的结构陶瓷 氧化物陶瓷是指氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷包含氧元素的陶瓷，包括由金属与，包括由金属与非金属元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离非金属

16、元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离子键结合，也有一定成分的共价键。子键结合，也有一定成分的共价键。最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物：最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物：AO，AO2，A2O3，ABO3和和AB2O4等结构类型等结构类型(A、B表表示阳离子示阳离子)。工程意义较大的是纯氧化物陶瓷，它们的熔点多数工程意义较大的是纯氧化物陶瓷，它们的熔点多数超过超过2000，应用最多的是，应用最多的是SiO2，Al2O3，ZrO2，MgO，CaO，BeO，ThO2等，以及一些氧化物之间的化合等，以及一些氧化物之间的化合物如物如3Al2O3Al2O3(尖晶石尖晶石)等。等。3.1

17、 氧化物陶瓷氧化物陶瓷太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院 以以-Al2O3为主晶相的陶瓷材料为主晶相的陶瓷材料 晶体结构：晶体结构：Al2O3目前已知有目前已知有10种同质异晶体，主要有三种晶型：种同质异晶体，主要有三种晶型：-Al2O3 -Al2O3 -Al2O3氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院-Al2O3的晶体结构氧化铝的结构是氧化铝的结构是O-2排成密排六排成密排六方结构，方结构，Al+3占据间隙位置。占据间隙位置。根据含杂质的多少，氧化铝呈根据含杂质的多

18、少，氧化铝呈红色红色(如红宝石如红宝石)或蓝色或蓝色(如蓝宝如蓝宝石石)太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院氧化铝陶瓷的性能与用途以基体中所含以基体中所含Al2O3质量分数分类质量分数分类(75瓷，瓷，95瓷，瓷，99瓷瓷)随随Al2O3的质量分数增加，机械强度，介电常数，导的质量分数增加，机械强度，介电常数，导热系数等也提高热系数等也提高表表3-3 几种氧化物陶瓷的化学组成几种氧化物陶瓷的化学组成太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院优点：硬度高、很好的耐磨性、耐蚀性和高温性能优点：硬度

19、高、很好的耐磨性、耐蚀性和高温性能缺点：韧性低，抗热振性能差，不能承受温度的急缺点：韧性低，抗热振性能差，不能承受温度的急剧变化剧变化用于制造刀具、模具、轴承、熔化金属的坩埚、高用于制造刀具、模具、轴承、熔化金属的坩埚、高温热电偶套管，以及化工行业中的一些特殊零部件，温热电偶套管，以及化工行业中的一些特殊零部件，如化工泵的密封滑环、轴套和叶轮等。如化工泵的密封滑环、轴套和叶轮等。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院3.1.2 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷研发历史研发历史20世纪世纪20年代开始就被用做熔化玻璃和冶炼钢铁等的耐火材年代开始就被用做熔化玻璃和冶炼钢铁等的耐火材料；料

20、；1968年，日本松下电器公司开发出氧化锆非线性电阻元件；年，日本松下电器公司开发出氧化锆非线性电阻元件；1973年，美国年，美国R.Zechnall制得电解质氧传感器，能正确显示汽制得电解质氧传感器，能正确显示汽车发动机的空气车发动机的空气/燃料比，燃料比，1980年用于钢铁工业；年用于钢铁工业；1975年，澳大利亚年，澳大利亚以以CaO为稳定剂制得部分稳定的氧化锆，为稳定剂制得部分稳定的氧化锆，并首次利用陶瓷马氏体相变的增韧相应，提高了其韧性和强并首次利用陶瓷马氏体相变的增韧相应，提高了其韧性和强度；度；1982年，日本绝缘子公司和美国年，日本绝缘子公司和美国Cummins发动机公司共同开

21、发动机公司共同开发出节能柴油机缸套。发出节能柴油机缸套。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院ZrO2陶瓷晶型及其转化陶瓷晶型及其转化单斜单斜(m)、四方、四方(t)、立方、立方(c)3种晶系种晶系太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院氧化锆陶瓷的应用氧化锆陶瓷的应用特点：密度大，硬度高，抗弯强度大特点：密度大，硬度高，抗弯强度大,断裂韧性高断裂韧性高(已知陶瓷中已知陶瓷中最高最高)应用：应用：可用做内燃机气缸内衬、活塞顶等可用做内燃机气缸内衬、活塞顶等 耐磨、耐腐蚀器件耐磨、耐腐蚀器件 模具模具 高温发热体材料，在空气中最高发热温度可达高温发热体材

22、料，在空气中最高发热温度可达2200 燃料电池材料等燃料电池材料等太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院其他氧化物陶瓷其他氧化物陶瓷氧化镁陶瓷氧化镁陶瓷氧化铍陶瓷氧化铍陶瓷太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院3.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷与氧化物陶瓷的区别：非氧化物陶瓷与氧化物陶瓷的区别：人工制备的人工制备的烧结需在保护气氛中进行烧结需在保护气氛中进行难熔、难烧结难熔、难烧结太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院3.2.1 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅陶

23、瓷的优异性能对于现代技术经常遇到的高温、高氮化硅陶瓷的优异性能对于现代技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊的使用价值。比较突速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊的使用价值。比较突出的性能有：出的性能有：（1）机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性，耐磨。室）机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性，耐磨。室温抗弯强度可以高达温抗弯强度可以高达8001000MPa，强度可以一直维持到，强度可以一直维持到1200不下降。不下降。（2）热稳定性好，热膨胀系数小，有良好的导热性能，所以）热稳定性好，热膨胀系数小，有良好的导热性能，所以抗热震性很好，从室温到抗热震性很好，从室温到1000

24、的热冲击不会开裂。的热冲击不会开裂。（3）化学性能稳定，几乎可耐一切无机酸（）化学性能稳定，几乎可耐一切无机酸（HF除外）和浓除外）和浓度在度在30%以下烧碱（以下烧碱（NaOH）溶液的腐蚀，也能耐很多有机物）溶液的腐蚀，也能耐很多有机物质的侵蚀，对多种有色金属熔融体（特别是铝液）不润湿，质的侵蚀，对多种有色金属熔融体（特别是铝液）不润湿，能经受强烈的放射辐照。能经受强烈的放射辐照。（4）密度低，比重小，仅是钢的）密度低，比重小，仅是钢的2/5，电绝缘性好。，电绝缘性好。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院氮化硅的晶体结构氮化硅的晶体结构六方晶系，六方晶系，、两种晶型两

25、种晶型-Si3N4低温相，低温相，1500转变为高温相转变为高温相-Si3N4太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院氮化硅陶瓷的应用氮化硅陶瓷的应用用于制造火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喉嘴、电热偶套用于制造火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喉嘴、电热偶套管、加热炉管以及燃气轮机的叶片、轴承等，还可用于热交管、加热炉管以及燃气轮机的叶片、轴承等，还可用于热交换器、耐火材料等。换器、耐火材料等。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院碳化硅陶瓷两种晶型两种晶型-SiC 六方结构六方结构-SiC 面心立方面心立方太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科

26、学与工程学院碳化硅陶瓷的性能和用途碳化硅陶瓷的性能和用途热导率高，优异的高温强度和高温蠕变热导率高，优异的高温强度和高温蠕变高电阻率高电阻率化学稳定性高化学稳定性高性能比氮化硅更好性能比氮化硅更好太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院赛隆陶瓷赛隆陶瓷Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2系列化合物的总称系列化合物的总称塞隆陶瓷的性能塞隆陶瓷的性能太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院塞隆陶瓷的应用塞隆陶瓷的应用高温烧结材料高温烧结材料常温和高温下强度高，化学性能稳定常温和高温下强度高，化学性能稳定优异的抗熔融腐蚀优异的抗熔融腐蚀热机材料热机材料(发

27、动机针阀发动机针阀)切削材料切削材料(热硬性好于热硬性好于Co-WCCo-WC合金，合金，10001000以上高速切削以上高速切削)轴承等滑动部件及磨损件轴承等滑动部件及磨损件(直接烧制成所需尺寸直接烧制成所需尺寸)太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院1.陶瓷与金属连接的基本要求陶瓷与金属连接的基本要求陶瓷与金属材料的连接陶瓷与金属材料的连接陶瓷与非金属材料的连接陶瓷与非金属材料的连接陶瓷与半导体材料的连接陶瓷与半导体材料的连接 陶瓷材料固有的硬脆性使其难以加工，难以制成形状陶瓷材料固有的硬脆性使其难以加工，难以制成形状复杂的高就，在工程应用上受到很大的限制。故陶瓷通复

28、杂的高就，在工程应用上受到很大的限制。故陶瓷通常是与金属材料一起组成复合结构来使用。常是与金属材料一起组成复合结构来使用。1.1 陶瓷连接的形式陶瓷连接的形式太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院1.2 对接头性能的要求对接头性能的要求必须具有较高的强度必须具有较高的强度必须具有真空气密性必须具有真空气密性接头的残余应力应最小，在使用过程中应具有耐热性、接头的残余应力应最小，在使用过程中应具有耐热性、耐蚀性和热稳定性。耐蚀性和热稳定性。焊接工艺应尽可能简化，工艺过程稳定，生产成本低。焊接工艺应尽可能简化，工艺过程稳定，生产成本低。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学

29、材料科学与工程学院2.陶瓷与金属连接存在的问题陶瓷与金属连接存在的问题 线胀系数相差很大线胀系数相差很大很大的残余应力很大的残余应力控制应力的方法控制应力的方法：减少焊接部位及其附近的温度梯度，控制加热减少焊接部位及其附近的温度梯度，控制加热和冷却速度和冷却速度 采用金属中间层采用金属中间层2.1 陶瓷与金属焊接中的热膨胀与热应力陶瓷与金属焊接中的热膨胀与热应力太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院2.2 陶瓷与金属很难润湿陶瓷与金属很难润湿为改善润湿可以采取的方法：为改善润湿可以采取的方法：采用活性金属采用活性金属 在陶瓷表面进行金属化处理在陶瓷表面进行金属化处理 连接

30、处易发生化学反应，易生成各种碳化物、氮化物、硅连接处易发生化学反应，易生成各种碳化物、氮化物、硅化物、氧化物以及多元化合物。化物、氧化物以及多元化合物。这些硬度高、脆性大的化这些硬度高、脆性大的化合物，是产生裂纹和造成接头脆性断裂的主要原因。合物，是产生裂纹和造成接头脆性断裂的主要原因。2.3 易生成脆性化合物易生成脆性化合物2.4 陶瓷与金属的结合界面问题陶瓷与金属的结合界面问题 陶瓷与金属之间是通过过渡层而结合的，两种材料间的界陶瓷与金属之间是通过过渡层而结合的，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。面反应对接头的形成和组织性能有很大的影响。太原科技大学材料科学与工程学院

31、太原科技大学材料科学与工程学院线胀系数、弹性模量差异线胀系数、弹性模量差异接头附近不均匀的热应力接头附近不均匀的热应力(陶瓷侧高应力陶瓷侧高应力)应力集中应力集中裂纹裂纹焊接温度与室温之差很大焊接温度与室温之差很大较大的残余应力较大的残余应力1 焊接应力和裂纹焊接应力和裂纹太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院缓解较大的分布不均残余应力的措施：缓解较大的分布不均残余应力的措施：加入中间层加入中间层 中间层的选择原则：中间层的选择原则：选择弹性模量和屈服强度较低、塑性好的材料，选择弹性模量和屈服强度较低、塑性好的材

32、料，通过中间层金属或合金的塑性变形，将陶瓷中通过中间层金属或合金的塑性变形，将陶瓷中的应力转移到中间层中，从而减小陶瓷的应力转移到中间层中，从而减小陶瓷/金属接金属接头的应力。头的应力。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院主要选择的中间层主要选择的中间层单一金属：单一金属：Cu、Ni、Nb、Ti、W、Mo、铜镍合金、铜镍合金、合金钢合金钢两种不同的金属作为复合中间层，例如：两种不同的金属作为复合中间层，例如：Ni作为塑作为塑性金属，性金属，W作为低线胀系数材料作为低线胀系数材料中间层材料的预置方式：中间层材料的预置方式：金属铂片金属铂片金属粉末：真空蒸发、离子溅射、化学

33、气相沉积、金属粉末：真空蒸发、离子溅射、化学气相沉积、喷涂、电镀喷涂、电镀太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院中间层的影响：中间层的影响：中间层厚度增大，残余应力降低中间层厚度增大，残余应力降低若中间层与母材有化学反应生成脆性化合物，会使若中间层与母材有化学反应生成脆性化合物，会使接头恶化接头恶化太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院其他降低残余应力的特殊措施其他降低残余应力的特殊措施合理选择被焊陶瓷与金属，在不影响接头使用性能的条件下，合理选择被焊陶瓷与金属，在不影响接头使用性能的条件下，尽可能使两者的线胀系数相差最小。尽可能使两者的线胀系数相差

34、最小。尽可能减小焊接部位及其附件的温度梯度，控制加热速度，尽可能减小焊接部位及其附件的温度梯度，控制加热速度，降低冷却速度，有利于应力松弛而使焊接应力减小。降低冷却速度，有利于应力松弛而使焊接应力减小。采取缺口、突起和端部变薄等措施合理设计陶瓷与金属的接采取缺口、突起和端部变薄等措施合理设计陶瓷与金属的接头结构。头结构。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院2.2.界面反应及形成过程界面反应及形成过程 接头界面反应的物相结构是影响陶瓷与金属结合的关键。接头界面反应的物相结构是影响陶瓷与金属结合的关键。这些相结构取决于陶瓷与金属这些相结构取决于陶瓷与金属(包括中间层包括中间

35、层)的种类，也的种类，也与连接条件与连接条件(如加热温度、表面状态、中间合金及厚度等如加热温度、表面状态、中间合金及厚度等)有关。有关。2.1 2.1 界面反应产物界面反应产物太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院例如：例如：SiC与金属的反应，生产该金属的碳化物、硅化物与金属的反应，生产该金属的碳化物、硅化物或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非晶相或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非晶相太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院例如：例如：Si3N4与金属的反应，生成该金属的氮化物、硅

36、化物或三与金属的反应，生成该金属的氮化物、硅化物或三元化合物元化合物太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院例如：例如：Al2O3与金属的反应，生成该金属的氧化物、铝化物或与金属的反应，生成该金属的氧化物、铝化物或三元化合物三元化合物太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院2.2 扩散界面的形成扩散界面的形成 陶瓷与金属各方面的差异很大，中间层元素陶瓷与金属各方面的差异很大，中间层元素在两种母材中的扩散能力不同，造成中间层与两在两种母材中的扩散能力不同，造成中间层与两侧母材发生反应的程度也不同，所以产生扩散连侧母材发生反应的程度也不同，所以产生扩散连接界

37、面形成过程的非对称性。接界面形成过程的非对称性。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院例如：例如：Al2O3-TiC复合陶瓷复合陶瓷与与W18Cr4V高速钢扩散连高速钢扩散连接，接，以以Ti/Cu/Ti为中间层为中间层太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院2.3 扩散连接界面反应机理扩散连接界面反应机理(1)Al2O3-TiC/Ti界面界面(A)(2)Ti-Cu-Ti中间层内中间层内(B)(3)Ti/W18Cr4V界面近界面近Ti侧侧(C)(4)Ti/W18Cr4V界面近界面近W18Cr4V侧侧(D)太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学

38、与工程学院反应层反应层A主要为：主要为：TiO、Ti3Al和和TiC相相太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院反应层反应层B主要为：主要为：CuTi、CuTi2和和TiC太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院反应层反应层C主要为：主要为：TiC和少量的和少量的FeTi相相太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院反应层反应层D主要是：主要是：Fe3W3C等碳化物和等碳化物和-FeW18Cr4V侧形成脱碳层侧形成脱碳层未反应的未反应的Fe以以-Fe形式保存下来形式保存下来太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院 T

39、i几乎出现在所有的界面反应产物中，表明几乎出现在所有的界面反应产物中，表明Ti参与了界面反应的各个过程。在参与了界面反应的各个过程。在Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散连接过程中，扩散连接过程中，Ti是界面反应的主是界面反应的主控元素控元素。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院2.3 扩散界面的结合强度扩散界面的结合强度(1)加热温度加热温度温度提高温度提高界面扩散反应充分，接头强度提高。界面扩散反应充分，接头强度提高。温度过高温度过高使陶瓷的性能发生变化，出现脆性相使陶瓷的性能发生变化，出现脆性相太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院(2)保

40、温时间保温时间太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院(3)(3)压力压力 为了使接触面处产生微观塑性变形，减小表面不平为了使接触面处产生微观塑性变形，减小表面不平整和破坏表面氧化膜，增加表面接触面积，为原子扩散整和破坏表面氧化膜，增加表面接触面积，为原子扩散提供条件。提供条件。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院(4)(4)表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙会在陶瓷中产生局部应力集中而引起脆性破坏表面粗糙会在陶瓷中产生局部应力集中而引起脆性破坏太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院(5)(5)连接环境连接环境避免了避免了O O、H

41、H等参与界面反应，有利于提高接头的强度等参与界面反应，有利于提高接头的强度太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院陶瓷与金属在化学键型、微观结构、物理性质和力学性能等陶瓷与金属在化学键型、微观结构、物理性质和力学性能等方面存在极大的差异，采用常规的方法是很难讲它们连接在方面存在极大的差异，采用常规的方法是很难讲它们连接在一起并满足使用要求的。这主要表现在：一起并满足使用要求的。这主要表现在：1陶瓷与金属的键型不同，连接时存在键型的转换和匹配问陶瓷与金属的键型不同，连接时存在键型的转换和匹配问题，难以实现良好的冶金连

42、接题，难以实现良好的冶金连接2陶瓷与金属的热胀差异很大，连接后容易产生很大的残余陶瓷与金属的热胀差异很大，连接后容易产生很大的残余应力，难以获得高强度接头应力，难以获得高强度接头3陶瓷的热导率低，导电性差，抗热冲击能力弱，润湿性不陶瓷的热导率低，导电性差，抗热冲击能力弱，润湿性不好，这给连接工艺的确定带来了很大的困难。好，这给连接工艺的确定带来了很大的困难。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院陶瓷与金属之间的连接方法，包括机械连接、粘接和焊接。陶瓷与金属之间的连接方法，包括机械连接、粘接和焊接。常用的焊接方法主要有钎焊连接、扩散连接、电子束焊、激光焊等。常用的焊接方法主

43、要有钎焊连接、扩散连接、电子束焊、激光焊等。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院钎焊定义：定义：定义：定义：采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到和钎料加热到和钎料加热到和钎料加热到高于钎料熔点、但低于母材熔点高于钎料熔点、但低于母材熔点高于钎料熔点、但低于母材熔点高于钎料熔点、但低于母材熔点的温度，利的温度，利的温度，利的温度，利用液态钎料用液态钎料用液态钎料用液态钎料润湿润湿润湿润湿母材，母材，母材，母材，填充填充填充填充接头间隙，并

44、与母材相互接头间隙，并与母材相互接头间隙，并与母材相互接头间隙，并与母材相互扩散扩散扩散扩散而实现连接焊件的方法。而实现连接焊件的方法。而实现连接焊件的方法。而实现连接焊件的方法。钎焊是一种古老的焊接方法。钎焊是一种古老的焊接方法。钎焊是一种古老的焊接方法。钎焊是一种古老的焊接方法。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院一、钎焊原理及特点一、钎焊原理及特点一、钎焊原理及特点一、钎焊原理及特点1.1.钎焊原理钎焊原理钎焊原理钎焊原理钎焊是利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相钎焊是利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相钎焊是利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相钎焊是

45、利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相互溶解和扩散以及在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与互溶解和扩散以及在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与互溶解和扩散以及在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与互溶解和扩散以及在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与母材相互溶解和扩散而实现零件间的连接的。母材相互溶解和扩散而实现零件间的连接的。母材相互溶解和扩散而实现零件间的连接的。母材相互溶解和扩散而实现零件间的连接的。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院(1)(1)(1)(1)液态金属的填隙原理液态金属的填隙原理液态金属的填隙原理液态金属的填隙原理 液体金属能填充接头间隙，必须具备一定的条件

46、，此条件液体金属能填充接头间隙，必须具备一定的条件，此条件液体金属能填充接头间隙，必须具备一定的条件，此条件液体金属能填充接头间隙，必须具备一定的条件，此条件就是就是就是就是润湿作用润湿作用润湿作用润湿作用和和和和毛细作用毛细作用毛细作用毛细作用。润湿作用润湿作用润湿作用润湿作用润湿润湿润湿润湿液态物体与固态物体接触后相互沾附的现象。液态物体与固态物体接触后相互沾附的现象。液态物体与固态物体接触后相互沾附的现象。液态物体与固态物体接触后相互沾附的现象。当液体处于自由状态，其当液体处于自由状态，其当液体处于自由状态，其当液体处于自由状态，其将力图保持球形！将力图保持球形！将力图保持球形！将力图保

47、持球形！当液体与固体接触，如果当液体与固体接触，如果当液体与固体接触，如果当液体与固体接触，如果内聚力内聚力内聚力内聚力附着力，液体就不能附着力，液体就不能附着力，液体就不能附着力，液体就不能沾附在固体表面沾附在固体表面沾附在固体表面沾附在固体表面不润湿！不润湿！不润湿！不润湿！太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院 当液体的附着力大于其内聚力时，液体就能粘附在固体当液体的附着力大于其内聚力时，液体就能粘附在固体当液体的附着力大于其内聚力时，液体就能粘附在固体当液体的附着力大于其内聚力时，液体就能粘附在固体表面表面表面表面发生润湿作用。发生润湿作用。发生润湿作用。发生润湿

48、作用。另一种解释：将某液滴置于固体表面，若液滴和固体界另一种解释：将某液滴置于固体表面，若液滴和固体界另一种解释：将某液滴置于固体表面，若液滴和固体界另一种解释：将某液滴置于固体表面，若液滴和固体界面的变化能使液面的变化能使液面的变化能使液面的变化能使液-固体系自由能降低，则液滴将沿固体表面固体系自由能降低，则液滴将沿固体表面固体系自由能降低，则液滴将沿固体表面固体系自由能降低，则液滴将沿固体表面自动流开铺平，该现象为润湿。自动流开铺平，该现象为润湿。自动流开铺平，该现象为润湿。自动流开铺平，该现象为润湿。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院 当当当当coscoscos

49、cos为正值时，即为正值时，即为正值时，即为正值时，即000090909090，液体能润湿固体；，液体能润湿固体；，液体能润湿固体；，液体能润湿固体；当当当当coscoscoscos为负值时，即为负值时，即为负值时，即为负值时，即90909090180180180180，液体不能润湿固体。，液体不能润湿固体。，液体不能润湿固体。，液体不能润湿固体。=0=0=0=0表示液体完全润湿固体；表示液体完全润湿固体；表示液体完全润湿固体；表示液体完全润湿固体；=180 =180 =180 =180表示完全不润湿。表示完全不润湿。表示完全不润湿。表示完全不润湿。钎焊时，钎料的润湿角应小于钎焊时，钎料的润湿

50、角应小于钎焊时，钎料的润湿角应小于钎焊时，钎料的润湿角应小于20202020。衡量液体对母材润湿能力的大小，可用液相与固相接衡量液体对母材润湿能力的大小，可用液相与固相接衡量液体对母材润湿能力的大小，可用液相与固相接衡量液体对母材润湿能力的大小，可用液相与固相接触时的接触夹角触时的接触夹角触时的接触夹角触时的接触夹角(润湿角润湿角润湿角润湿角)的大小来表示。的大小来表示。的大小来表示。的大小来表示。太原科技大学材料科学与工程学院太原科技大学材料科学与工程学院 上述液体与固体相互润湿的前提是他们之间无化学反应发生。上述液体与固体相互润湿的前提是他们之间无化学反应发生。上述液体与固体相互润湿的前提