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陶瓷材料在高温下 具有高强度 、高硬度 、高绝缘性 、高耐蚀性、高耐磨性 、良好的热稳定性和化学稳定性等许多优 良的特性 ,是陶瓷发动机 、磁流体发 电及核反应装置的关键材料 。陶瓷材料用在燃气轮机或往复式发动机上 ,如用作包箍 、涡轮叶片、阀门零件和燃气轮机增压器部件时 ,其焊接技术显得尤其重要。
微波焊接 微波焊接是陶瓷焊接的另 种新方法 由于其加热的高速度和均匀性具有许多潜在的经济效益。迄今为止,这项技术已经用于陶瓷与陶瓷以及陶瓷与玻璃的焊接。
陶瓷材料具有很好的耐热性和抗腐蚀能力 ,在许多高技术领域 例如航天,汽车,化工和电子工业等正起着越来越重要的作用,然而陶瓷材料的机械加工却极为困难,这就大大限制了陶瓷材料的进一步推广使用。解决方法除了目前正在研究的陶瓷超塑性成型外,最有发展前途的技术是陶瓷焊接,即对形状简单的陶瓷零件进行焊接,以制成形状复杂或大尺寸的构件,正因如此,陶瓷焊接愈来愈受到人们的重视。微波焊接是一门崭新的焊接技术,它利用微波在材料中介质损耗使陶瓷加热,在一定压力下完成连接,根据接头间是否加入中间介质,微波焊接可分为直接焊接和间接焊接两种,由于陶瓷的加热是通过微波与材料相互作用实现的 ,使接头能够均匀地连接 ,避免了开裂发生 。同时微波加热的升温速度极快 ,陶瓷内部品粒不会严重长大 ,晶界相元素分布 比焊接前更均匀 从而使接头区域材料保持优良的性能。
微波连接陶瓷材料的原理和特点
微波焊接试验装置
( a) 微波焊接材料总图; (b) 微波焊接材料簡图
1 微波焊接的试验装置和特点
微波焊接陶瓷材料的典型试验装置见图1。被焊接的陶瓷材料置于微波应用器中, 在陶瓷材料的两端施加压力。磁控管产生的微波经过微波波导输送到微波应用器中。微波频率通常为 2 45 GHz或0.915 GHz。
微波加热陶瓷材料是利用微波电磁场与陶瓷材料的相互作用, 因此陶瓷材料的微波加热与陶瓷材料本身的性能有很大的关系。对于介电损耗高又不随温度剧烈变化的陶瓷材料, 微波烧结的加热过程较为稳定,容易控制,但多数陶瓷材料在室温时介电损耗较低,当加热超过临界温度,陶瓷材料的介电损耗急剧增加,使温度迅速上升。另外,对于某些对微波具有透过性的陶瓷材料, 必须在材料中添加适量的具有吸收微波性能的添加剂或玻璃相, 才能进行微波加热。利用微波在材料中的介质损耗, 不仅能完成陶瓷的烧结,而且还可以实现陶瓷材料的连接, Meek 和Black 最早利用微波技术实现了Al2O3薄片间的玻璃连接及陶瓷/玻璃/金属连接。微波连接陶瓷材料的主要原理是通过改变电磁场的分布,实现微波能的聚焦,对连接部位进行局部迅速加热,从而实现陶瓷材料的连接。
微波连接陶瓷材料的特点有三个。第一, 对于传统的陶瓷连接工艺, 能量是从试样表面通过热传导的方式向内部传递,从而达到温度均匀,由于多数陶瓷的导热性差, 因此连接需要很长时间。采用微波加热连接是使陶瓷连接层处迅速升温, 从而大大缩短了连接时间,节约了能量,降低了连接成本。第二,由于微波加热较为迅速,反应时间短, 可以使连接部位的温度迅速升高, 从而抑制了基体材料由于温度升高而导致的内部晶粒长大,因而使连接部位具有较好的力学性能。第三, 微波局部加热的特性,使得微波主要加热所需要加热的区域, 对其它区域的加热并不明显。因此, 可以在一定程度上改善在传统焊接过程中由于两种母材热膨胀系数不匹配所造成的热错配问题。
2 微波应用于陶瓷材料的连接
陶瓷材料之间的微波连接根据有无采用中间连接层可以分为两类,一类是采用中间介质作为连接层的间接连接,比如采用Al作为连接层连接SiC 陶瓷与SiC 陶瓷。另一类是陶瓷材料的直接连接, 比如不采用连接层进行 SiC 陶瓷与 SiC 陶瓷的连接。根据连接的陶瓷母材类型可以分为同种陶瓷材料之间的微波连接和异种陶瓷材料之间的微波连接。
2．1 同种陶瓷材料之间的微波连接
微波技术应用于同种陶瓷材料之间的连接主要有Al2O3 陶瓷与Al2O3 陶瓷的连接( 用符号Al 2O3/Al2O3 表示, 以下同)[ 6~ 8], MgO/ MgO[ 9], Al2O3 -30% ZrO2/ Al 2O3 -30% ZrO2[ 10], ZrO2 -Al2O3 -SiO2/ZrO2 -Al 2O3 - SiO2[ 11], SiC/ SiC[ 12], Si3N4/ Si 3N4[ 12],MgF2/ MgF2[ 13]等。 3 1 1 同种氧化物系陶瓷之间的微波连接1985 年Meek 等[ 5]率先用 700 W 功率的家用微波炉对两块 Al2O3 薄片进行了焊接,焊接温度为700~ 800 ,时间为99min。此后, 对Al 2O3 陶瓷的微波连接研究就迅速发展起来, Assaf i 等[6]用AlOOH 凝胶作为连接层, 先将AlOOH 凝胶涂在需要连接的两个 Al2O3 陶瓷片的表面,然后在微波辐射下连接Al 2O3 陶瓷。试验表明,样品在微波中被加热到 1500 、 时间为 10min、 且施加的压力为0~6MPa时连接成功,当连接温度达到1650℃时,微波连接的接头抗弯强度已达到母材抗弯强度的93%,这是由于作为连接层的AlOOH 凝胶,当温度高于 1300 时, 分解得到 Al2O3, 由于分解产物Al2O3 与焊接母材的成分一致, Al 2O3填充连接界面的空隙,材料之间的相容性好,从而提高了接头的力学性能。另外Yu 等[7]报导了Al2O3 陶瓷的同时烧结和连接, 连接试样母材是经 2800MPa 干压过的Al2O3 片状压坯, 而作为连接层的是在 150MPa 压力下成形的Al2O3 压坯薄片,整个试样在微波烧结和连接前在 600 预热2h, 然后在温度为1400℃、时间为 14min、 压力为 0 283MPa 的条件下进行微波烧结和连接。结果连接成功, 但在连接界面上存在缺陷。
文献[ 8] 报导了Al 2O3/Al2O3 陶瓷之间的直接连接。Al 2O3 试样的纯度为 90% , 将需要连接的Al2O3 试样放在微波连接腔中, 连接面位于连接腔中间位置以保证其位于温度的最高区域, 微波源的工作频率为 2 5GHz, 试验的连接温度选择为 1100~ 1450 、 时间少于20min、 压力为0~ 2 5MPa。研究表明,陶瓷间的接合强度与微波加热温度和所施加的轴向压力有关, 当保温时间为 15min、 压力为2MPa、 温度为1300 时试样连接良好,且接合强度为150MPa, 达到了母材的强度。对其界面进行微观分析,未发现中间反应层及熔融特征,但低于上述条件时,无法连接成功。也有人使用微波在短时间内连接成功 MgO/MgO 陶瓷, MgO 陶瓷母材之间未使用其它连接层。研究表明, 在试验范围之内微波焊接的温度和压力越高,接头的抗弯强度也越大,当微波连接时间为4min、 温度为 1867 、 压力为 0 5MPa 时, 接头的抗弯强度为105MPa,达到MgO 母材抗弯强度最大值的70% [ 9]。
文献[ 10] 将两个大小为 15mm 4mm 4mm的Al2O3 -ZrO2 复合陶瓷样品(其中含30%ZrO2) , 采用Na2SiO3 粉作为连接层材料进行复合陶瓷之间的连接试验,将 Na2SiO3 玻璃粉与丙三醇混合成浆状物,然后将浆状物涂在Al 2O3 -ZrO2 复合陶瓷的接合表面,连接时的高温使得玻璃层熔化,熔化物扩散到Al 2O3 -ZrO2 复合陶瓷表面,强化了界面。研究发现,在微波连接过程中施加一定的压力或减少玻璃相的残留量均可提高Al2O3 -ZrO2 复合陶瓷之间的连接强度。
文献[ 11] 报导了采用微波连接 ZrO2 -Al 2O3 -SiO2 陶瓷( ZAC)。将直径为6mm 的ZAC 陶瓷棒的受焊面先用砂纸磨光,再用1 m 的金刚石研磨膏对其进行抛光,然后放入微波设备的单模腔反应容器中的温度最高处。试验的微波功率有 1kW、1 25kW、1 5kW, 连接时载荷压力有 0 5MPa、0 75MPa、 1 0MPa, 然后对连接试样进行四点抗弯强度的测试。结果表明, 最大连接强度为 107% 母材强度,最小连接强度为 69%母材强度。当微波功率为1kW 或 1 25kW 且载荷压力为 0 75MPa时,达到最大连接强度。当载荷压力达到1MPa或微波功率达到1 5kW 时,连接处熔化的连接物会从ZAC陶瓷的连接面上溢出,形成一个凸起,从而降低了连接强度。当载荷压力小于0 75MPa时,无法将两个陶瓷面连接在一起。因此, 选择的最佳微波功率为1kW 或1 25kW,载荷压力为0 75MPa。
2．2同种非氧化物系陶瓷之间的微波连接
同种非氧化物系陶瓷之间的微波连接主要有SiC/ SiC 系和Si3N4/ Si3N4系等。由于SiC 的高热导性、 良好的耐热震性和耐蚀性使其成为用途广泛的结构材料,主要应用于热引擎发动机、热交换器等。但由于其加工性差,需要的部件形状复杂,导致制造困难且成本较高, 因此SiC 的应用受到一定的限制。然而,体积较大的复杂件可以先制成易于制造的体积较小、 形状简单的部件, 然后对简单件进行连接[14]。目前研究主要集中在 SiC 陶瓷的间接连接和直接连接。关于间接连接, 主要进行了烧结 SiC 陶瓷的连接。烧结 SiC 陶瓷样品为圆柱体, 其尺寸为 9mm 6mm。中间连接层采用了两种不同方法来获得,一种采用Si粉或Si 浆作为连接层; 另一种通过Si、C、 Ti粉混合燃烧合成,形成SiC/ T iC 复合材料作为连接层。将SiC 陶瓷样品与连接层置于微波设备的单模腔中,施加 2~ 5MPa的压力,然后进行微波连接。结果表明, 采用Si 粉作为连接层的试样, 当连接温度接近1450 、 时间是5~ 10min、 微波功率大约为250W 时, 连接成功。试样的表面连接处较均匀,但存在一个相当厚的 Si 层( Si 层的厚度为50 m) 。而采用燃烧合成SiC/ T iC 作为中间层也能连接成功,但中间层厚 300 m, 而且有明显的孔洞。试验中效果最好的是在其中一个SiC 陶瓷连接样品上等离子喷涂Si 层, 然后在610mm 610mm 的多模腔中以6kW 的功率进行微波连接, 不施加外力,得到的连接试样中间层厚度小于 5 m。对中间层的努氏硬度进行了测定, 发现无变化[15]。另外, SiC的间接连接也有用Al作为连接层的报导。将Si-SiC 和 -SiC 樣品抛光后在超声波中清洗, 将Al薄片分别置于 S- i SiC 和 -SiC 样品之间,然后放入微波单模腔中, 加热温度 1250 、施加 1 2MPa 的压力、保温1min, 得到抗弯强度为 219 4MPa 的 S-iSiC/Al/ S- i SiC 连接样品和抗弯强度为 194 4MPa的 -SiC/ Al/ -SiC 连接样品[16]。关于直接连接,主要进行了 SiC/ SiC 系和 Si3N4/Si3N4 系陶瓷的连接[12]。采用的 SiC 母材是烧结SiC 陶瓷, 样品大小为 6mm 6mm 40mm,纯度为98%(质量分数)。先将 SiC 陶瓷试样用金刚石刀具从中间部位切开, 断面用金刚石砂轮磨成光滑的镜面,将两断面合在一起组成连接面,调整微波设备使得炉中最高温度位于连接面,样品覆盖着 25mm 35mm 20mm 的耐火砖,在两端面施加压力。为了防止连接过程中样品在高温下被氧化,采用高纯Ar作为保护气氛。结果表明, 样品在连接处的维氏显微硬度最大,这可能是由于在连接过程中,加热和冷却时产生的内应力导致其硬度高于母材。当连接温度为2050℃、压力为8MPa、连接时间为5min时, 得到的连接样品的三点抗弯强度最大, 达404MPa, 相当于母材强度的 71%。微波连接 Si 3N4/ Si 3N4 陶瓷的方法与微波连接 SiC/ SiC 陶瓷相似。采用烧结Si3N4陶瓷,样品大小为 6mm 50mm, 纯度为92%(质量分数)。连接过程中采用高纯 N2作为保护气氛。结果表明, 在连接温度为1750℃、压力为5MPa、连接时间为10min 时得到的样品三点抗弯强度高达560MPa, 为Si3N4母材强度的83%。另外, Bruce等[17]研究了 SiC 纤维增强SiC 复合材料的相互连接。试样分为两种形状, 一种是对头连接, 另一种是燕尾连接。将有机陶瓷先驱体SR350 浆涂在待连接的复合材料表面, 然后进行微波连接。结果表明, 对于对头连接的接头,其平均抗弯强度为 31 9MPa, 而对于燕尾连接的接头,平均抗弯强度为 39MPa, 其中, 燕尾连接的接头的最大抗弯强度为48 1MPa。
2.3异种陶瓷材料之间的微波连接
目前,异种陶瓷材料之间采用微波连接成功的例子主要有 ZTA ( ZrO2 增韧 Al 2O3 陶瓷) / Y -TZP(Y2O3 稳 定的四 方相 ZrO2 陶 瓷)[ 18], Al2O3/MgO[ 19]和Al2O3/ Ca10( PO4) 6( OH) 2[ 20]等。我国学者白向钰等[ 18]研究了 ZTA 和 Y -TZP的连接。将 ZTA 和 Y -TZP 粉体分别预压成形, 然后在50MPa单轴压力下使二者叠加为一个整体, 经过200MPa 的等静压, 得到尺寸大约为 10mm 12mm 的圆柱体生坯, 其各层密度约为理论密度的50% ,然后将生坯放入圆柱型多模谐振腔微波加热系统中, 微波源频率为 2450MHz。研究发现, 微波连接时界面区两侧晶粒之间的连接较好, 而常规加热连接时界面存在一些孔洞。另外由于ZTA 与Y -TZP的热膨胀系数不同, 采用常规加热连接时, 在高温保温完成后的冷却至室温的过程中产生的残余应力使得 Y -TZP 侧易发生开裂, 从而降低接合强度。采用微波连接时, 界面接合状态较好, 而且ZTA 处于压应力状态, 因而裂纹扩展至界面处停止。研究发现, 当连接温度为1450 、 连接时间为30min 时样品的剪切强度为80MPa, 而采用常规加热方法, 在相同的连接温度下, 连接时间为 60min时,其剪切强度仅为20MPa。Tadao 等[ 19]采用单模腔微波炉成功连接Al 2O3陶瓷和 MgO 陶瓷。选择了连接温度为 1577 ~1877 、 连接压力为0 03~ 0 5MPa、 连接时间为2~ 10min 的试验条件, 当连接温度为1877 、 压力为0 5MPa时连接的样品抗弯强度为90MPa,是 MgO陶瓷母材强度的 60%。研究还发现在 Al 2O3 陶瓷和MgO 陶瓷母材之间形成了MgAl 2O4 层。我国学者 Zhou Jian 等[ 20]采用微波技术成功连接了Al2O3 陶瓷与羟基磷灰石生物陶瓷。Al2O3的纯度为90%,羟基磷灰石的抗弯强度为 65 4MPa。先用细砂纸磨Al 2O3陶瓷和羟基磷灰石生物陶瓷的连接面, 然后在酒精中清洗。由于 Al2O3 陶瓷与羟基磷灰石的烧结温度相差很多, 因而采用常规加热方法无法连接。采用微波连接技术, 当连接温度为1200 、 保温15~ 20min、 压力为2 5MPa 时即可连接Al2O3 与羟基磷灰石生物陶瓷,连接后样品的抗弯强度为56 5MPa。
陶瓷材料和CMC 在科学技术特别是高技术领域发挥着重要的作用并具有廣阔的应用前景。陶瓷的连接技术是这些材料能够广泛应用的关键,因此它已经成为材料领域的研究热点之一。与普通的陶瓷连接工艺相比较,微波连接技术具有耗时短、 节约能量、 成本低、 对母材热损伤小等特点, 因而倍受研究者关注,并已取得很多研究成果。例如, Al2O3 与Al2O3、 Si3N4 与 Si3N4 等同种陶瓷之间以及 Al 2O3与MgO、 Al 2O3 与羟基磷灰石等异种陶瓷之间的微波连接也已经获得成功。然而, 到目前为止,成功实现微波连接的陶瓷材料还十分有限。随着航空航天等高科技的迅速发展, 对陶瓷以及CMC 的连接技术的需求越来越迫切, 陶瓷以及CMC 的微波连接技术必将获得快速发展并在工程技术中发挥更大的作用。
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微波焊接 微波焊接是陶瓷焊接的另 种新方法 由于其加热的高速度和均匀性具有许多潜在的经济效益。迄今为止,这项技术已经用于陶瓷与陶瓷以及陶瓷与玻璃的焊接。
陶瓷材料具有很好的耐热性和抗腐蚀能力 ,在许多高技术领域 例如航天,汽车,化工和电子工业等正起着越来越重要的作用,然而陶瓷材料的机械加工却极为困难,这就大大限制了陶瓷材料的进一步推广使用。解决方法除了目前正在研究的陶瓷超塑性成型外,最有发展前途的技术是陶瓷焊接,即对形状简单的陶瓷零件进行焊接,以制成形状复杂或大尺寸的构件,正因如此,陶瓷焊接愈来愈受到人们的重视。微波焊接是一门崭新的焊接技术,它利用微波在材料中介质损耗使陶瓷加热,在一定压力下完成连接,根据接头间是否加入中间介质,微波焊接可分为直接焊接和间接焊接两种,由于陶瓷的加热是通过微波与材料相互作用实现的 ,使接头能够均匀地连接 ,避免了开裂发生 。同时微波加热的升温速度极快 ,陶瓷内部品粒不会严重长大 ,晶界相元素分布 比焊接前更均匀 从而使接头区域材料保持优良的性能。
微波连接陶瓷材料的原理和特点
微波焊接试验装置
( a) 微波焊接材料总图; (b) 微波焊接材料簡图
1 微波焊接的试验装置和特点
微波焊接陶瓷材料的典型试验装置见图1。被焊接的陶瓷材料置于微波应用器中, 在陶瓷材料的两端施加压力。磁控管产生的微波经过微波波导输送到微波应用器中。微波频率通常为 2 45 GHz或0.915 GHz。
微波加热陶瓷材料是利用微波电磁场与陶瓷材料的相互作用, 因此陶瓷材料的微波加热与陶瓷材料本身的性能有很大的关系。对于介电损耗高又不随温度剧烈变化的陶瓷材料, 微波烧结的加热过程较为稳定,容易控制,但多数陶瓷材料在室温时介电损耗较低,当加热超过临界温度,陶瓷材料的介电损耗急剧增加,使温度迅速上升。另外,对于某些对微波具有透过性的陶瓷材料, 必须在材料中添加适量的具有吸收微波性能的添加剂或玻璃相, 才能进行微波加热。利用微波在材料中的介质损耗, 不仅能完成陶瓷的烧结,而且还可以实现陶瓷材料的连接, Meek 和Black 最早利用微波技术实现了Al2O3薄片间的玻璃连接及陶瓷/玻璃/金属连接。微波连接陶瓷材料的主要原理是通过改变电磁场的分布,实现微波能的聚焦,对连接部位进行局部迅速加热,从而实现陶瓷材料的连接。
微波连接陶瓷材料的特点有三个。第一, 对于传统的陶瓷连接工艺, 能量是从试样表面通过热传导的方式向内部传递,从而达到温度均匀,由于多数陶瓷的导热性差, 因此连接需要很长时间。采用微波加热连接是使陶瓷连接层处迅速升温, 从而大大缩短了连接时间,节约了能量,降低了连接成本。第二,由于微波加热较为迅速,反应时间短, 可以使连接部位的温度迅速升高, 从而抑制了基体材料由于温度升高而导致的内部晶粒长大,因而使连接部位具有较好的力学性能。第三, 微波局部加热的特性,使得微波主要加热所需要加热的区域, 对其它区域的加热并不明显。因此, 可以在一定程度上改善在传统焊接过程中由于两种母材热膨胀系数不匹配所造成的热错配问题。
2 微波应用于陶瓷材料的连接
陶瓷材料之间的微波连接根据有无采用中间连接层可以分为两类,一类是采用中间介质作为连接层的间接连接,比如采用Al作为连接层连接SiC 陶瓷与SiC 陶瓷。另一类是陶瓷材料的直接连接, 比如不采用连接层进行 SiC 陶瓷与 SiC 陶瓷的连接。根据连接的陶瓷母材类型可以分为同种陶瓷材料之间的微波连接和异种陶瓷材料之间的微波连接。
2．1 同种陶瓷材料之间的微波连接
微波技术应用于同种陶瓷材料之间的连接主要有Al2O3 陶瓷与Al2O3 陶瓷的连接( 用符号Al 2O3/Al2O3 表示, 以下同)[ 6~ 8], MgO/ MgO[ 9], Al2O3 -30% ZrO2/ Al 2O3 -30% ZrO2[ 10], ZrO2 -Al2O3 -SiO2/ZrO2 -Al 2O3 - SiO2[ 11], SiC/ SiC[ 12], Si3N4/ Si 3N4[ 12],MgF2/ MgF2[ 13]等。 3 1 1 同种氧化物系陶瓷之间的微波连接1985 年Meek 等[ 5]率先用 700 W 功率的家用微波炉对两块 Al2O3 薄片进行了焊接,焊接温度为700~ 800 ,时间为99min。此后, 对Al 2O3 陶瓷的微波连接研究就迅速发展起来, Assaf i 等[6]用AlOOH 凝胶作为连接层, 先将AlOOH 凝胶涂在需要连接的两个 Al2O3 陶瓷片的表面,然后在微波辐射下连接Al 2O3 陶瓷。试验表明,样品在微波中被加热到 1500 、 时间为 10min、 且施加的压力为0~6MPa时连接成功,当连接温度达到1650℃时,微波连接的接头抗弯强度已达到母材抗弯强度的93%,这是由于作为连接层的AlOOH 凝胶,当温度高于 1300 时, 分解得到 Al2O3, 由于分解产物Al2O3 与焊接母材的成分一致, Al 2O3填充连接界面的空隙,材料之间的相容性好,从而提高了接头的力学性能。另外Yu 等[7]报导了Al2O3 陶瓷的同时烧结和连接, 连接试样母材是经 2800MPa 干压过的Al2O3 片状压坯, 而作为连接层的是在 150MPa 压力下成形的Al2O3 压坯薄片,整个试样在微波烧结和连接前在 600 预热2h, 然后在温度为1400℃、时间为 14min、 压力为 0 283MPa 的条件下进行微波烧结和连接。结果连接成功, 但在连接界面上存在缺陷。
文献[ 8] 报导了Al 2O3/Al2O3 陶瓷之间的直接连接。Al 2O3 试样的纯度为 90% , 将需要连接的Al2O3 试样放在微波连接腔中, 连接面位于连接腔中间位置以保证其位于温度的最高区域, 微波源的工作频率为 2 5GHz, 试验的连接温度选择为 1100~ 1450 、 时间少于20min、 压力为0~ 2 5MPa。研究表明,陶瓷间的接合强度与微波加热温度和所施加的轴向压力有关, 当保温时间为 15min、 压力为2MPa、 温度为1300 时试样连接良好,且接合强度为150MPa, 达到了母材的强度。对其界面进行微观分析,未发现中间反应层及熔融特征,但低于上述条件时,无法连接成功。也有人使用微波在短时间内连接成功 MgO/MgO 陶瓷, MgO 陶瓷母材之间未使用其它连接层。研究表明, 在试验范围之内微波焊接的温度和压力越高,接头的抗弯强度也越大,当微波连接时间为4min、 温度为 1867 、 压力为 0 5MPa 时, 接头的抗弯强度为105MPa,达到MgO 母材抗弯强度最大值的70% [ 9]。
文献[ 10] 将两个大小为 15mm 4mm 4mm的Al2O3 -ZrO2 复合陶瓷样品(其中含30%ZrO2) , 采用Na2SiO3 粉作为连接层材料进行复合陶瓷之间的连接试验,将 Na2SiO3 玻璃粉与丙三醇混合成浆状物,然后将浆状物涂在Al 2O3 -ZrO2 复合陶瓷的接合表面,连接时的高温使得玻璃层熔化,熔化物扩散到Al 2O3 -ZrO2 复合陶瓷表面,强化了界面。研究发现,在微波连接过程中施加一定的压力或减少玻璃相的残留量均可提高Al2O3 -ZrO2 复合陶瓷之间的连接强度。
文献[ 11] 报导了采用微波连接 ZrO2 -Al 2O3 -SiO2 陶瓷( ZAC)。将直径为6mm 的ZAC 陶瓷棒的受焊面先用砂纸磨光,再用1 m 的金刚石研磨膏对其进行抛光,然后放入微波设备的单模腔反应容器中的温度最高处。试验的微波功率有 1kW、1 25kW、1 5kW, 连接时载荷压力有 0 5MPa、0 75MPa、 1 0MPa, 然后对连接试样进行四点抗弯强度的测试。结果表明, 最大连接强度为 107% 母材强度,最小连接强度为 69%母材强度。当微波功率为1kW 或 1 25kW 且载荷压力为 0 75MPa时,达到最大连接强度。当载荷压力达到1MPa或微波功率达到1 5kW 时,连接处熔化的连接物会从ZAC陶瓷的连接面上溢出,形成一个凸起,从而降低了连接强度。当载荷压力小于0 75MPa时,无法将两个陶瓷面连接在一起。因此, 选择的最佳微波功率为1kW 或1 25kW,载荷压力为0 75MPa。
2．2同种非氧化物系陶瓷之间的微波连接
同种非氧化物系陶瓷之间的微波连接主要有SiC/ SiC 系和Si3N4/ Si3N4系等。由于SiC 的高热导性、 良好的耐热震性和耐蚀性使其成为用途广泛的结构材料,主要应用于热引擎发动机、热交换器等。但由于其加工性差,需要的部件形状复杂,导致制造困难且成本较高, 因此SiC 的应用受到一定的限制。然而,体积较大的复杂件可以先制成易于制造的体积较小、 形状简单的部件, 然后对简单件进行连接[14]。目前研究主要集中在 SiC 陶瓷的间接连接和直接连接。关于间接连接, 主要进行了烧结 SiC 陶瓷的连接。烧结 SiC 陶瓷样品为圆柱体, 其尺寸为 9mm 6mm。中间连接层采用了两种不同方法来获得,一种采用Si粉或Si 浆作为连接层; 另一种通过Si、C、 Ti粉混合燃烧合成,形成SiC/ T iC 复合材料作为连接层。将SiC 陶瓷样品与连接层置于微波设备的单模腔中,施加 2~ 5MPa的压力,然后进行微波连接。结果表明, 采用Si 粉作为连接层的试样, 当连接温度接近1450 、 时间是5~ 10min、 微波功率大约为250W 时, 连接成功。试样的表面连接处较均匀,但存在一个相当厚的 Si 层( Si 层的厚度为50 m) 。而采用燃烧合成SiC/ T iC 作为中间层也能连接成功,但中间层厚 300 m, 而且有明显的孔洞。试验中效果最好的是在其中一个SiC 陶瓷连接样品上等离子喷涂Si 层, 然后在610mm 610mm 的多模腔中以6kW 的功率进行微波连接, 不施加外力,得到的连接试样中间层厚度小于 5 m。对中间层的努氏硬度进行了测定, 发现无变化[15]。另外, SiC的间接连接也有用Al作为连接层的报导。将Si-SiC 和 -SiC 樣品抛光后在超声波中清洗, 将Al薄片分别置于 S- i SiC 和 -SiC 样品之间,然后放入微波单模腔中, 加热温度 1250 、施加 1 2MPa 的压力、保温1min, 得到抗弯强度为 219 4MPa 的 S-iSiC/Al/ S- i SiC 连接样品和抗弯强度为 194 4MPa的 -SiC/ Al/ -SiC 连接样品[16]。关于直接连接,主要进行了 SiC/ SiC 系和 Si3N4/Si3N4 系陶瓷的连接[12]。采用的 SiC 母材是烧结SiC 陶瓷, 样品大小为 6mm 6mm 40mm,纯度为98%(质量分数)。先将 SiC 陶瓷试样用金刚石刀具从中间部位切开, 断面用金刚石砂轮磨成光滑的镜面,将两断面合在一起组成连接面,调整微波设备使得炉中最高温度位于连接面,样品覆盖着 25mm 35mm 20mm 的耐火砖,在两端面施加压力。为了防止连接过程中样品在高温下被氧化,采用高纯Ar作为保护气氛。结果表明, 样品在连接处的维氏显微硬度最大,这可能是由于在连接过程中,加热和冷却时产生的内应力导致其硬度高于母材。当连接温度为2050℃、压力为8MPa、连接时间为5min时, 得到的连接样品的三点抗弯强度最大, 达404MPa, 相当于母材强度的 71%。微波连接 Si 3N4/ Si 3N4 陶瓷的方法与微波连接 SiC/ SiC 陶瓷相似。采用烧结Si3N4陶瓷,样品大小为 6mm 50mm, 纯度为92%(质量分数)。连接过程中采用高纯 N2作为保护气氛。结果表明, 在连接温度为1750℃、压力为5MPa、连接时间为10min 时得到的样品三点抗弯强度高达560MPa, 为Si3N4母材强度的83%。另外, Bruce等[17]研究了 SiC 纤维增强SiC 复合材料的相互连接。试样分为两种形状, 一种是对头连接, 另一种是燕尾连接。将有机陶瓷先驱体SR350 浆涂在待连接的复合材料表面, 然后进行微波连接。结果表明, 对于对头连接的接头,其平均抗弯强度为 31 9MPa, 而对于燕尾连接的接头,平均抗弯强度为 39MPa, 其中, 燕尾连接的接头的最大抗弯强度为48 1MPa。
2.3异种陶瓷材料之间的微波连接
目前,异种陶瓷材料之间采用微波连接成功的例子主要有 ZTA ( ZrO2 增韧 Al 2O3 陶瓷) / Y -TZP(Y2O3 稳 定的四 方相 ZrO2 陶 瓷)[ 18], Al2O3/MgO[ 19]和Al2O3/ Ca10( PO4) 6( OH) 2[ 20]等。我国学者白向钰等[ 18]研究了 ZTA 和 Y -TZP的连接。将 ZTA 和 Y -TZP 粉体分别预压成形, 然后在50MPa单轴压力下使二者叠加为一个整体, 经过200MPa 的等静压, 得到尺寸大约为 10mm 12mm 的圆柱体生坯, 其各层密度约为理论密度的50% ,然后将生坯放入圆柱型多模谐振腔微波加热系统中, 微波源频率为 2450MHz。研究发现, 微波连接时界面区两侧晶粒之间的连接较好, 而常规加热连接时界面存在一些孔洞。另外由于ZTA 与Y -TZP的热膨胀系数不同, 采用常规加热连接时, 在高温保温完成后的冷却至室温的过程中产生的残余应力使得 Y -TZP 侧易发生开裂, 从而降低接合强度。采用微波连接时, 界面接合状态较好, 而且ZTA 处于压应力状态, 因而裂纹扩展至界面处停止。研究发现, 当连接温度为1450 、 连接时间为30min 时样品的剪切强度为80MPa, 而采用常规加热方法, 在相同的连接温度下, 连接时间为 60min时,其剪切强度仅为20MPa。Tadao 等[ 19]采用单模腔微波炉成功连接Al 2O3陶瓷和 MgO 陶瓷。选择了连接温度为 1577 ~1877 、 连接压力为0 03~ 0 5MPa、 连接时间为2~ 10min 的试验条件, 当连接温度为1877 、 压力为0 5MPa时连接的样品抗弯强度为90MPa,是 MgO陶瓷母材强度的 60%。研究还发现在 Al 2O3 陶瓷和MgO 陶瓷母材之间形成了MgAl 2O4 层。我国学者 Zhou Jian 等[ 20]采用微波技术成功连接了Al2O3 陶瓷与羟基磷灰石生物陶瓷。Al2O3的纯度为90%,羟基磷灰石的抗弯强度为 65 4MPa。先用细砂纸磨Al 2O3陶瓷和羟基磷灰石生物陶瓷的连接面, 然后在酒精中清洗。由于 Al2O3 陶瓷与羟基磷灰石的烧结温度相差很多, 因而采用常规加热方法无法连接。采用微波连接技术, 当连接温度为1200 、 保温15~ 20min、 压力为2 5MPa 时即可连接Al2O3 与羟基磷灰石生物陶瓷,连接后样品的抗弯强度为56 5MPa。
陶瓷材料和CMC 在科学技术特别是高技术领域发挥着重要的作用并具有廣阔的应用前景。陶瓷的连接技术是这些材料能够广泛应用的关键,因此它已经成为材料领域的研究热点之一。与普通的陶瓷连接工艺相比较,微波连接技术具有耗时短、 节约能量、 成本低、 对母材热损伤小等特点, 因而倍受研究者关注,并已取得很多研究成果。例如, Al2O3 与Al2O3、 Si3N4 与 Si3N4 等同种陶瓷之间以及 Al 2O3与MgO、 Al 2O3 与羟基磷灰石等异种陶瓷之间的微波连接也已经获得成功。然而, 到目前为止,成功实现微波连接的陶瓷材料还十分有限。随着航空航天等高科技的迅速发展, 对陶瓷以及CMC 的连接技术的需求越来越迫切, 陶瓷以及CMC 的微波连接技术必将获得快速发展并在工程技术中发挥更大的作用。
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