工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、抗氧化、抗腐蝕等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、電力電子、能源交通等領(lǐng)域，成為經(jīng)濟(jì)和國(guó)防發(fā)展中不可缺少的支撐材料。但是由于陶瓷本身的脆性使其加工性能差，難以制成尺寸大、形狀復(fù)雜的構(gòu)件，從而限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用與發(fā)展。金屬材料具有優(yōu)良的室溫強(qiáng)度、延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，與陶瓷材料在性能上形成了一種明顯的互補(bǔ)關(guān)系。將兩種材料結(jié)合起來(lái)，就可以充分利用各自的優(yōu)良性能，制造出滿足要求的復(fù)雜構(gòu)件，不僅能夠降低成本，對(duì)陶瓷與金屬材料的應(yīng)用與發(fā)展也具有重要意義。由于陶瓷與金屬在物理、化學(xué)性質(zhì)上的差異，使得二者之間的連接成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
       陶瓷與金屬的連接方法
       陶瓷與金屬的連接問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）陶瓷與金屬鍵型不同，難以實(shí)現(xiàn)良好的冶金連接；（2）陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)差異大，連接接頭容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，致使接頭強(qiáng)度低；（3）陶瓷表面潤(rùn)濕性差，連接工藝確定困難。目前，關(guān)于陶瓷與金屬連接方法的研究已有很多，包括機(jī)械連接、粘接連接、釬焊連接、固相擴(kuò)散連接、瞬時(shí)液相連接、熔化焊、自蔓延高溫合成連接、摩擦焊、微波連接、超聲連接等方法。
       1機(jī)械連接
       機(jī)械連接是一種古老的連接方法，包括螺栓連接和熱套連接。其中熱套連接是利用陶瓷與金屬的熱膨脹差異，在高溫時(shí)將金屬套在陶瓷外側(cè)，利用冷卻時(shí)金屬的收縮量較陶瓷大而緊密連接在一起。雖然熱套連接獲得的接頭具有一定的氣密性，但僅限于低溫使用，且這種接頭具有較大的殘余應(yīng)力。
       2粘接連接
       粘接連接是利用膠粘劑將陶瓷與金屬連接在一起，主要應(yīng)用于飛機(jī)的應(yīng)急修理、炮彈與導(dǎo)彈的輔助件連接、渦輪和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的修復(fù)等處。盡管粘接連接可以一定程度緩解陶瓷與金屬間的熱應(yīng)力且工藝簡(jiǎn)單、效率高，但接頭強(qiáng)度通常小于100MPa，使用溫度一般低于200℃，大多用于靜載荷和超低靜載荷零件。
       3釬焊連接
       釬焊是最常用的連接陶瓷與金屬的方法之一，它是以熔點(diǎn)比母材低的材料做釬料，加熱到略高于釬料熔點(diǎn)的溫度，利用熔化的液態(tài)釬料潤(rùn)濕被連接材料表面，從而填充接頭間隙，通過(guò)母材與釬料間元素的互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接。普通金屬釬料在陶瓷表面的潤(rùn)濕性較差，因而提高釬料在陶瓷表面的潤(rùn)濕性成為獲得高質(zhì)量釬焊接頭的保證。陶瓷與金屬的釬焊連接可以分為直接釬焊和間接釬焊。
       直接釬焊又叫活性金屬釬焊法，是在釬料中加入活性元素，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在陶瓷表面形成反應(yīng)層，以提高釬料在陶瓷表面的潤(rùn)濕性。這些活性元素通常包括Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr 等，如Ag-Cu-Ti 釬料就是在Ag-Cu 共晶釬料中加入活性元素Ti，顯著提高了釬料的潤(rùn)濕能力，是現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛的一種釬料。非晶態(tài)高溫釬料的研制，也大大地增加了陶瓷與金屬釬焊接頭的應(yīng)用范圍。表1 中給出了幾種常用的陶瓷與金屬通過(guò)直接釬焊實(shí)現(xiàn)連接的工藝及接頭性能，其中S 表示抗剪強(qiáng)度，B 表示彎曲強(qiáng)度。        間接釬焊是先將陶瓷表面進(jìn)行金屬化，再利用常規(guī)釬料進(jìn)行釬焊連接，因而又稱兩步法釬焊。陶瓷表面與金屬化的目的就是解決釬料在陶瓷表面潤(rùn)濕性差的問(wèn)題，電子工業(yè)中常用Mo-Mn 法對(duì)陶瓷表面進(jìn)行預(yù)金屬化，Mo 粉中加入適量的Mn 是為了改善金屬鍍層與陶瓷的結(jié)合，圖1為Mo-Mn 法結(jié)構(gòu)示意圖。此外，還發(fā)展了物理或化學(xué)氣相沉積、熱噴涂法、燒結(jié)金屬粉末法、超聲波法、化學(xué)沉積、等離子注入、真空蒸鍍等一系列金屬化方法。        徐富家等利用間接釬焊方法，首先在Al2O3 陶瓷表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，再與5A05 鋁合金進(jìn)行真空釬焊連接，所獲釬焊接頭組織照片如圖2 所示，界面結(jié)構(gòu)為Al2O3/Ni（Ⅰ 區(qū)）/Al3Ni2（Ⅱ 區(qū)）/Al3Ni+Mg2Si（Ⅲ區(qū)）/α（Al+Mg2Si（Ⅳ 區(qū)）/5A05， 接頭的抗剪強(qiáng)度最大可達(dá)到25MPa。        4固相擴(kuò)散連接
       固相擴(kuò)散連接廣泛應(yīng)用于異種材料的連接，也是連接陶瓷材料常用的方法之一。它是將被連接材料置于真空或惰性氣氛中，使其在高溫和壓力作用下局部發(fā)生塑性變形，通過(guò)原子間的互擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)形成反應(yīng)層，實(shí)現(xiàn)可靠連接。固相擴(kuò)散連接適用于各種陶瓷與金屬的連接，相對(duì)于釬焊連接，其具有連接強(qiáng)度高，接頭質(zhì)量穩(wěn)定、耐腐蝕性能好，可實(shí)現(xiàn)大面積連接，且接頭不存在低熔點(diǎn)釬料金屬或合金，能夠獲得耐高溫接頭等優(yōu)點(diǎn)。從連接方式來(lái)看，固相擴(kuò)散連接可分為直接擴(kuò)散連接和間接擴(kuò)散連接兩種。直接擴(kuò)散連接是指直接將陶瓷與金屬進(jìn)行連接，而間接擴(kuò)散連接是通過(guò)中間層的過(guò)渡作用將陶瓷與金屬連接起來(lái)。由于陶瓷和金屬在熱膨脹系數(shù)和彈性模量上的差異，擴(kuò)散連接接頭容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致接頭性能下降，因而常采用中間層進(jìn)行間接擴(kuò)散連接，或采用直接在陶瓷表面鍍金屬膜的方法。中間層的介入，不僅可以緩解接頭的殘余應(yīng)力，還能夠降低連接溫度和壓力，同時(shí)也可以起到抑制和改變接頭產(chǎn)物的作用。
       魏曉玲等利用Mo-Mn 法在Al2O3 陶瓷表面預(yù)鍍一層鎳，再將陶瓷與高純鎳進(jìn)行擴(kuò)散連接。將這種間接擴(kuò)散連接接頭與未經(jīng)預(yù)鍍金屬的陶瓷與金屬直接擴(kuò)散連接接頭進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在同樣連接條件下，未預(yù)鍍金屬所得接頭強(qiáng)度要明顯低于前者。Li 等 在Al2O3 陶瓷表面涂敷Ti，并對(duì)Ti-Al2O3 擴(kuò)散偶進(jìn)行了研究，認(rèn)為在1050~1100℃時(shí)，純Ti與Al2O3 的界面產(chǎn)物與原始Ti 層厚度相關(guān)。例如：當(dāng)原始Ti 層較薄時(shí)界面產(chǎn)物是Ti3Al，當(dāng)原始Ti 層較厚時(shí)界面產(chǎn)物是Ti3Al 和TiAl。Kliauga等 以Ti 為中間層擴(kuò)散連接Al2O3陶瓷與不銹鋼時(shí)，只發(fā)現(xiàn)Ti3Al 顆粒析出，如圖3 所示。        固相擴(kuò)散連接已經(jīng)成為連接陶瓷與金屬的主要方法之一，但一般的擴(kuò)散連接所需要的連接溫度較高，連接時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，且通常在真空下連接，因而連接成本較高，試件尺寸易受限制。
       5瞬時(shí)液相連接
       瞬時(shí)液相連接（Transient LiquidPhase Bonding）是由Daniel，David 與William 3 人于1972 年首先提出的，并在“Welding Journal”上撰文正式采用了TLP Bonding 這一提法，簡(jiǎn)稱為TLP 連接或液相擴(kuò)散焊，也有人稱之為擴(kuò)散釬焊。TLP 連接作為一種精密的連接技術(shù)，具有連接溫度低、變形小、殘余應(yīng)力小以及接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，它是在真空條件下，施加較小或不施加壓力，當(dāng)溫度達(dá)到中間層熔點(diǎn)或中間層與母材元素通過(guò)互擴(kuò)散形成低熔共晶產(chǎn)物時(shí)，在中間層與母材之間形成液相薄膜，通過(guò)中間層降熔元素向母材擴(kuò)散及母材中高熔點(diǎn)元素向液相中溶解，使液相層熔點(diǎn)不斷升高，并在等溫條件下凝固，最后經(jīng)過(guò)均勻化形成致密接頭。瞬時(shí)液相連接綜合了釬焊和固相擴(kuò)散焊的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用在金屬間化合物、先進(jìn)陶瓷、耐熱耐蝕超合金、單晶合金等多種先進(jìn)材料的連接。
       部分瞬時(shí)液相連接（PartialTransient Liquid Phase Bonding，PTLPB）是在傳統(tǒng)的瞬時(shí)液相連接的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用于陶瓷與金屬連接的新方法，PTLP 連接和傳統(tǒng)TLP 連接的區(qū)別在于，PTLP 連接時(shí)的液相只在中間層局部形成，以潤(rùn)濕陶瓷表面。在進(jìn)行PTLP 連接時(shí)，一般采用不同厚度的金屬組成B-A-B 多層中間層，其中B 的厚度遠(yuǎn)小于A 的厚度。連接過(guò)程中，通過(guò)B 的熔化或B 與A 形成低熔共晶而產(chǎn)生液相，僅在緊鄰陶瓷的連接部位形成局部液相，起到類似釬料的作用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕。此后，在等溫過(guò)程中通過(guò)原子的互擴(kuò)散使液相消失和成分均勻化，實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的連接。采用PTLP 方法所得接頭可在高溫高應(yīng)力狀態(tài)下使用，但中間層需要合理設(shè)計(jì)，中間的A 和兩側(cè)的B 無(wú)論是在固態(tài)還是在液態(tài)都應(yīng)該能完全互溶，固液相線也要窄，這樣有利于等溫凝固和成分均勻化的進(jìn)行。
       Kim 等以Ni 和Ti/Cu 做中間層采用PTLP 法對(duì)Si3N4 陶瓷與Inconel718 合金進(jìn)行了連接，經(jīng)過(guò)900℃、60min 的連接形成了完好的接頭，所獲接頭中Si3N4 陶瓷和Ni 金屬層之間的組織反應(yīng)層厚度約12μm，組成為Si3N4/Ti2Ni/α-Cu/CuTi5Ni14&α-Cu&TiNi3/Ni，Ni 層與Inconel718 合金之間為擴(kuò)散連接，沒(méi)有新反應(yīng)相生成。與不添加Ti/Cu層連接相比，該結(jié)構(gòu)所獲得的接頭避免了陶瓷與中間層金屬的大范圍化學(xué)反應(yīng)，降低了連接溫度；與采用Ag-Cu-Ti 為釬料的釬焊連接接頭相比，PTLPB 接頭具有更高的耐高溫性能。
       6熔化焊
       熔化焊連接陶瓷和金屬主要包括激光焊和電子束焊接，采用高能束具有加熱和冷卻速度快的優(yōu)點(diǎn)，能在陶瓷不熔化的條件下使金屬熔化，形成連接。Curicuta 等 以激光為熱源對(duì)Al2O3 陶瓷和Cu 進(jìn)行了連接，研究表明被連接材料之間所達(dá)到的溫度對(duì)接頭界面結(jié)構(gòu)的形成具有重要作用，激光加熱所達(dá)到的溫度應(yīng)不低于形成共晶的溫度，但不能超過(guò)Cu 的熔點(diǎn)，這種連接方式一定程度上類似于瞬時(shí)液相連接。也有人以激光為熱源對(duì)SiC 陶瓷和鋼進(jìn)行激光輔助釬焊連接，并研究了激光熱源對(duì)不同釬料所得接頭的影響。采用高能束對(duì)陶瓷和金屬進(jìn)行連接雖然能獲得高溫下穩(wěn)定的接頭，但是需要對(duì)被連接材料進(jìn)行預(yù)熱和緩冷，以降低連接時(shí)的應(yīng)力和防止連接過(guò)程中裂紋的產(chǎn)生，而且陶瓷與金屬組配相對(duì)困難，連接工藝參數(shù)難以控制，設(shè)備造價(jià)昂貴。
       7自蔓延高溫合成連接
       自蔓延高溫連接（Self-p r o p a g a t i n g H i g h - t e m p e r a t u r e Synthesis Joining，SHS 連接）是利用SHS 反應(yīng)的放熱及其產(chǎn)物來(lái)連接待焊母材的技術(shù)。即以反應(yīng)放出的熱為高溫?zé)嵩矗許HS 產(chǎn)物為焊料，實(shí)現(xiàn)材料連接的過(guò)程。陶瓷與金屬的自蔓延高溫合成連接的困難在于它們的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不匹配，在連接過(guò)程中界面不易潤(rùn)濕和殘余熱應(yīng)力大等問(wèn)題。連接時(shí)可利用反應(yīng)原料直接合成梯度材料來(lái)連接異種材料，其成分組織逐漸過(guò)渡，以克服母材間化學(xué)、力學(xué)和物理性能的不匹配，從而可能緩解接頭處的殘余應(yīng)力。對(duì)于某些受焊母材的連接，可采用與制備母材工藝相似的連接工藝，從而可使母材與焊料有很好的物理、化學(xué)相容性。SHS 連接可進(jìn)行難熔金屬、耐熱材料、耐蝕氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷和金屬間化合物的連接，根據(jù)被連接母材來(lái)源不同，SHS連接可分為一次連接和二次連接。一次連接是指被連接的母材或部件是在連接過(guò)程中同時(shí)原位合成的連接工藝；而二次連接則是指連接現(xiàn)存的母材或部件的工藝，即被連接母材在連接前已經(jīng)制備好，通過(guò)焊料的自蔓延反應(yīng)來(lái)將其連接在一起的工藝。國(guó)內(nèi)主要是針對(duì)TiC 金屬陶瓷與Ni 以及TiAl 合金之間的自蔓延反應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。
       該方法的優(yōu)點(diǎn)是能耗低，生產(chǎn)效率高，對(duì)母材的熱影響小。但是由于自蔓延反應(yīng)速度快，焊料燃燒時(shí)間難以控制，導(dǎo)致界面反應(yīng)控制困難。
       8其他連接方法
       （1）摩擦焊：摩擦焊是一種固相連接方法，它是將陶瓷與金屬相對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦，產(chǎn)生摩擦熱，當(dāng)金屬表面受熱達(dá)到塑性狀態(tài)后停止旋轉(zhuǎn)，并施加一個(gè)相對(duì)較大的頂鍛力，使陶瓷與金屬實(shí)現(xiàn)連接。該方法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，幾秒鐘就可以實(shí)現(xiàn)連接，但被連接材料僅限于棒材和管材，且要求液態(tài)金屬能夠潤(rùn)濕母材，F(xiàn)ernie等利用摩擦焊方法實(shí)現(xiàn)了ZrO2陶瓷與Al 合金的連接。
       （2）微波連接：微波連接是一種以陶瓷在微波輻射場(chǎng)中的分子極化產(chǎn)熱作為熱源，并在一定的壓力下實(shí)現(xiàn)連接的方法。該方法的特點(diǎn)是節(jié)能，升溫速度快，加熱均勻，連接強(qiáng)度高。但難于準(zhǔn)確控制溫度，對(duì)于介電損耗小的陶瓷需要采用耦合劑來(lái)提高產(chǎn)熱。目前微波連接方法主要用來(lái)連接陶瓷材料，包括同種和異種陶瓷，但很少見關(guān)于陶瓷和金屬微波連接的報(bào)道。
       （3）超聲連接：超聲連接是通過(guò)超聲波振動(dòng)使陶瓷與金屬的接觸表面相互作用，從而實(shí)現(xiàn)連接。特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，連接時(shí)間短，Matsuoca等對(duì)超聲連接陶瓷和金屬做了相關(guān)研究，目前主要應(yīng)用于陶瓷與Al的連接。
       此外還有爆炸連接、電場(chǎng)輔助連接、燒釉封接等方法。
       結(jié)束語(yǔ)
       盡管陶瓷與金屬的連接方法很多，但不少方法由于其自身的局限性難以實(shí)用化。從陶瓷和金屬本身的特點(diǎn)以及對(duì)連接接頭性能的要求上考慮，目前被廣泛使用的仍然是釬焊、固相擴(kuò)散連接以及瞬時(shí)液相連接等方法。隨著材料及焊接技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)連接方法的改進(jìn)及新方法的研究在不斷進(jìn)行，陶瓷與金屬這兩大類航空航天應(yīng)用材料將會(huì)有更加廣闊應(yīng)用前景。