熱超聲連接氧化鋁陶瓷的研究.pdf

1、陶瓷材料具有高硬度、高強(qiáng)度、低密度、低熱膨脹系數(shù)及良好熱導(dǎo)率、抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能，被廣泛用于生物醫(yī)療、切削刀具、新能源等領(lǐng)域的關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu)中。受限于陶瓷自身以及陶瓷與其他材料之間形成高可靠連接的困難性，很大程度上制約了其陶瓷的應(yīng)用范圍。本文提出一種超聲輔助陶瓷連接方法。輔助超聲的添加具有簡(jiǎn)化連接裝置、縮短工藝時(shí)間并簡(jiǎn)化工藝過(guò)程等顯著優(yōu)點(diǎn)。本文以氧化鋁陶瓷為研究對(duì)象，搭建熱超聲陶瓷連接裝置，系統(tǒng)地研究輔助超聲連接方法在陶瓷連接領(lǐng)域應(yīng)用的

2、可行性、超聲工藝參數(shù)對(duì)陶瓷接頭性能影響的規(guī)律，以及功率超聲在接頭形成過(guò)程中的內(nèi)在作用機(jī)理等三個(gè)方面。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的原理能夠?qū)崿F(xiàn)氧化鋁陶瓷快速的大氣環(huán)境下直接可靠冶金連接。隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)或功率的增大，潤(rùn)濕不斷改善，接頭中氣孔等缺陷逐漸減少，氧化鋁陶瓷接頭強(qiáng)度增加；超聲施加時(shí)間為5~90s時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度為9.6MPa~95.1MPa；超聲輸出功率從0W增加到200W時(shí)，接頭強(qiáng)度從3.9MPa增加到74.5MPa；

3、四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度從未施加超聲時(shí)的16.58MPa增加到施加超聲25s時(shí)的399.92MPa。接頭高溫服役性能測(cè)試結(jié)果表明：熱超聲連接方法制備的氧化鋁陶瓷接頭能在很大溫度范圍內(nèi)（0~450℃）可靠服役。熱膨脹系數(shù)測(cè)試表明：本方法不會(huì)明顯改變接頭結(jié)構(gòu)物理特性，氧化鋁陶瓷接頭熱膨脹系數(shù)變化不超過(guò)在5％。
　　快速的大氣環(huán)境下直接實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷高可靠連接主要?dú)w因于功率超聲效應(yīng)。首先，超聲能夠提高液態(tài)金屬在陶瓷表面的潤(rùn)濕性。超聲波在液態(tài)金屬傳播

4、過(guò)程中的特殊機(jī)制以及進(jìn)而在陶瓷表面誘發(fā)大面積外延生長(zhǎng)的能力極大改變液態(tài)金屬與陶瓷表面之間的界面能；其次，在超聲波持續(xù)作用過(guò)程中被連接陶瓷基材表面被嚴(yán)重地侵蝕，大量陶瓷微粒進(jìn)入接頭內(nèi)部，改變接頭內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)；再次，接頭內(nèi)部形成的大尺寸陶瓷相是在超聲作用下通過(guò)基底表面外延生長(zhǎng)和接頭內(nèi)部微粒相互碰撞聚合兩個(gè)機(jī)制協(xié)調(diào)完成的，并且隨著超聲輸出能量（時(shí)間/功率）的增加，接頭間隙逐漸減小，最終可實(shí)現(xiàn)主要由陶瓷相構(gòu)成的接頭結(jié)構(gòu)；最后，獲得近陶瓷相結(jié)構(gòu)接