陶瓷组装及连接技术

何鹏，哈尔滨工业大学教授、博士生导师。长期从事新材料及异种材料焊接与封装方面的研究工作。现任哈尔滨工业大学材料科学与工程学院副院长、优选焊接与连接国家重点实验室主任，中国焊接协会钎焊材料、设备及工艺分会副理事长，中国机械工程学会焊接分会常务委员，全国焊接标准化委员会钎焊委员会副主任，中国机械工程学会焊接分会钎焊及特种连接专业委员会副主任等。获国家自然科学二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖5项。发表学术论文265篇，H影响因子30。授权国家发明83项，制修订国家标准13项。

第1章 绪论

 1.1 陶瓷组装及连接的必要性

 1.2 优选技术系统中的组装及连接问题

 习题及思考题

 本章参考文献

第2章 陶瓷组装与连接的主要难点

 2.1 概述

 2.2 润湿性

 2.3 残余应力

 2.4 接头界面反应

 习题及思考题

 本章参考文献

第3章 优选陶瓷组装与连接技术

 3.1 钎焊

 3.2 扩散焊

 3.3 自蔓延高温合金连接

 3.4 熔化焊

 3.5 摩擦焊

 3.6 其他连接方法

 习题及思考题

 本章参考文献

第4章 铁氧体功能陶瓷低温玻璃连接及接头强化机理

 4.1 铁氧体与功率电感器件及其组装简介

 4.2 低熔玻璃钎料设计、制备及性能研究

 4.3 铁氧体/玻璃钎料/铁氧体连接接头的微观组织及形成机理

 4.4 连接接头的介电性能及力学性能

 习题及思考题

 本章参考文献

第5章 氧化铝和蓝宝石玻璃连接及接头强化机理

 5.1 电子电路中氧化铝和蓝宝石应用及封装基本特点

 5.2 玻璃钎料设计、制备及性能研究

 5.3 氧化铝/玻璃钎料接头的界面组织

 5.4 蓝宝石/玻璃钎料接头的界面组织

 5.5 界面组织的形成机理

 5.6 接头的力学性能及强化机理

 习题及思考题

 本章参考文献

第6章 间隙碳化物陶瓷低温连接高温使用方法及机理

 6.1 间隙碳化物陶瓷简介

 6.2 以Ti为中间层的均质接头的形成和碳缺位的作用机制

 6.3 其他单层过渡金属中间层连接ZrCx陶瓷

 6.4 复合过渡金属中间层连接ZrCx陶瓷

 习题及思考题

 本章参考文献

第7章 ZrBz—SiC陶瓷连接接头原位晶须强化技术

 7.1 AgCu--Ti/ZS液相体系中二维TiB晶须阵列的制备

 7.2 Nb/Ti/ZS固相体系中二维TiB晶须阵列的制备

 7.3 Ti—Cu/zs液相体系中三维TiB晶须的制备

 7.4 Ti—Ni/ZS液相体系中三维TiB晶须的制备

 7.5 TiB晶须对接头的强化机制

 7.6 接头的力学性能

 习题及思考题

 本章参考文献

第8章 氧化铝/TC4连接接头原位晶须强化技术

 8.1 陶瓷-金属异种材料连接主要问题及研究现状

 8.2 原位自生TiB晶须增强Al2O3/TC4合金钎焊接头的可行性

 8.3 Al2O3/Ag基复合钎料/TC4合金钎焊接头的界面行为

 8.4 Al2O3/Cu基复合钎料/TC4合金钎焊接头的界面行为

 8.5 Al203/TC4合金钎焊接头的力学性能及强化机理

 习题及思考题

本章参考文献

第9章 Cf/SiC复合材料和TiAl合金钎焊连接技术

 9.1 复杂陶瓷构件关键制造技术——碳化硅陶瓷连接研究现状

 9.2 钎焊连接TiAl合金钎料设计及可行性分析

 9.3 Cf/SiC复合材料与TiAl合金钎焊连接接头微观组织及力学性能

 9.4 TNB高温钎料原位反应辅助钎焊Cr/SiC与TiAl的连接机理

 9.5 原位反应辅助钎焊过程中TiAl溶解厚度模型

 习题及思考题

本章参考文献

第10章 C/C复合材料和TiBw/TC4复合材料钎焊连接技术

 10.1 金属热管理系统组装技术——C/C复合材料连接研究现状简介

 10.2 钎料设计及可行性分析

 10.3 C/C复合材料与TiBw/TC4复合材料连接接头微观组织

 10.4 界面微观组织的形成机理

 10.5 接头的力学性能

 习题及思考题

本章参考文献

附录 部分二元相图

第1章绪论

新材料的出现是人类历史的重要转折点，它们在青铜时代、铁器时代和正在经历的硅时代中都是重要的历史性衡量基准，它们在改变人类文明的同时也开启了经济增长与社会进步的无限空间。在人类历史上，这些进步与标志性阶段的特点不仅是材料创新（例如，Damascus钢，在公元1100~1700年用于制造兵器），而且是由新材料向用于军事、艺术和商业的产品转化。在每个历史时期，新材料的革命性影响和功能表现都通过其对新产品、系统、部件和设备的组装而体现。

1.1陶瓷组装及连接的必要性

先进的材料科学技术是发展现代高端制造业的基础，对于提升国防军事实力、提高产品市场竞争力、改善人民生活都有十分重要的作用，所以世界各国都十分重视先进材料的开发和研究，将其置于优先发展地位。陶瓷材料具有许多优异的性能，如耐高温、耐磨损、高强度等，在航天、机械、能源等诸多领域都有重要应用。陶瓷材料的塑性较低、韧性差、耐冲击性差，对于尺寸较大、形状复杂的陶瓷零件，难以加工成形，所以需要研究陶瓷间的互连技术用以制备复杂的陶瓷结构。另外，由于陶瓷在单独使用过程中抵抗热应力和冲击载荷的能力差，而金属的强韧性与高塑性可以弥补陶瓷材料固有的缺点，采用特定的连接技术制备陶瓷一金属复合构件，可以得到兼具陶瓷材料与金属材料两者优点且能满足现代工程需要的结构部件。

1.2先进技术系统中的组装及连接问题

当代社会中，新材料的组装与工业社会中的技术发展和经济竞争力密切相关，当前和未来的组装问题都涉及不同的领域，例如航空、航天、核能、热电（TE）电源、纳米机电和微机电系统（MEMS）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、多芯片模块（MCMS）、人工器官等。

1.2.1微电子和纳米电子

组装技术在微电子晶片、芯片和封装中都至关重要，是实现高密度设计与降低成本的重要途径。MEMS、显示装置、射频（RF）组件和许多其他微电子元件生产中都需要用到组装技术。在该类应用中，组装技术的难点在于软钎焊、金属化、服役可靠性、接头失效、真空封装和其他类似领域。半导体芯片设备制造和MEMS组件开发都需要用到非常复杂的组装技术。

为了缩小尺寸，MCMS将许多特殊功能集成到一个系统中，包括一系列具有先进功能的电子设备。为了实现多个集成电路（ICs）与功能性基体的组合，MCMS整合了不同材料的ICs，提供了可靠的低成本组装技术。为了实现每层的最高密度组装，MCMS通常基于陶瓷、硅或金属上的薄膜多层结构而设计。MCMS可以采用连接或表面处理技术（例如喷涂和电镀）制造，连接技术的最大优势在于只要这些材料表面的力学性能（包括平面度、光滑度和洁净度）足够好，就可以实现任何不同材料的连接。

由于具有比硅更低的热损失和更好的高温使用性能，碳化硅基陶瓷在半导体开关中的应用正在不断增加。由于热损失小且使用温度高，可以采用较小的热沉以节约尺寸并减少系统花费。在类似应用中的组装问题焦中在SiC与金属等其他材料的连接上。此外，未来的微处理器可采用纳米多孔有机硅酸盐玻璃作为电介质，这对控制金属一纳米多孔玻璃界面等组装技术提出了更高的要求。

半导体技术的许多应用都依赖于异种材料的异质结构组装，该结构过去主要通过外延生长实现，当前可以利用异种材料连接制造异质结构，可以不利用外延生长在界面处调节功能特性（如电学性能）。连接技术可以用来制造包含半导体、电介质、金属或陶瓷的整体异质结构，这种结构很难利用外延生长技术制备。实际上，目前已经利用晶圆键合替代异质外延生长技术将不同材料组装到一起，也可以用连接技术来制造高质量异质外延生长薄膜的基板。

纳米技术可以在纳米尺度范围内提供各种特殊功能，已经彻底改变了电子设备的概念。为了获得这些特殊功能，需要将纳米结构组装到电子、光子、光电、传感系统和设备中。为解决集成系统中多场力耦合（如机械一电场）、界面（如金属一半导体）和相互作用（如生物一非生物组件）等难题，需要开发全新的设计标准实现具有特殊功能或形态的纳米结构的可控合成与自组装，以及这些纳米结构与应用部件（例如场效应管（FETs）、气体传感器或生物传感器）的组装。此外，复合材料（如聚合物一陶瓷纳米复合材料）的新型应用也需要聚合物基体中纳米陶瓷颗粒的分子级别组装，这都需要对界面行为和组装（合成）技术有很深的理解。

1.2.2能源

先进陶瓷组装技术在能源生产、仓储、配送、节能和效率的所有环节中都起到至关重要的作用，尤其是对于替代能源系统中非常重要的燃料电池技术（SOFCs）。先进陶瓷（例如氧化钇稳定氧化结陶瓷、镧锶锰氧化物陶瓷和Ni-YSZ金属陶瓷）在SOFCs的不同组件中都起到核心作用，系统集成需要实现陶瓷或金属的互联与组件封装。

对于不同应用中都需要具有高的能量转化效率和长时间运行能力的TE设备，新型电极材料界面的电热特性以及接头可靠性都需要评估和优化。热靴一腿接口的高温热膨胀不匹配对设计与组装技术的发展提出了很高的要求。TE设备中每个界面的成分、使用温度和热失配问题都不相同，这些问题在多界面的分段研究中变得尤为重要。对于陶烧催化剂燃烧室的微一TE发电机，组装问题也非常重要，该燃烧室在介电膜上完成了热电金属薄膜与陶瓷厚膜的组装。能源领域的另一个组装实例是用于气体涡轮发动机中的MEMS其暗油嘴的开发。

本书结合陶瓷材料及连接技术的不断发展，同时结合作者所在团队的近期新研究成果，一方面从整体上论述了陶瓷组装与连接的发展和挑战，另一方面通过研究实例具体论述陶瓷组装与连接过程中如何进行界面反应和应力调控。本书共分10章，～3章主要论述陶瓷组装及连接的发展、机遇及共性基础问题；第4章和第5章主要介绍新型玻璃钎焊功能陶瓷和结构陶瓷的设计思路、界面反应及接头强化机理；第6章主要介绍超高温陶瓷低温连接高温使用的新型扩散连接方法；第7章和第8章主要介绍陶瓷及陶瓷/金属的原位强化连接技术；第9章和第10章主要介绍新型陶瓷基复合材料与金属的连接技术。 本书的主要内容既包含陶瓷组装及连接所涉及的基础理论，又包含该领域的实用技术、研究实例及近期新科研进展，可作为材料加工工程专业本科生教材，也可为研究生及相关技术人员提供参考。