氧化鋁陶瓷機(jī)械強(qiáng)度高、介電損耗小、絕緣電阻大、硬度高、耐磨、耐腐蝕、耐高溫和抗熱沖擊，廣泛應(yīng)用于航空、軍事、機(jī)械、石油、化工、建筑及電子等各個(gè)行業(yè)。但是，由于脆性大、燒結(jié)溫度高和加工困難等缺點(diǎn)，氧化鋁陶瓷難以制備成尺寸大、形狀復(fù)雜的構(gòu)件，因此其應(yīng)用范圍也受到了很大的限制。使用陶瓷連接將簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)陶瓷部件組合成形狀復(fù)雜的構(gòu)件，對(duì)于降低其生產(chǎn)成本，拓展其應(yīng)用范圍具有重要意義。
目前，對(duì)于氧化物陶瓷燒結(jié)體的連接方法主要包括：釬焊法、黏結(jié)法、燃燒反應(yīng)法及微波加熱連接法等。其中，使用傳統(tǒng)的釬焊法發(fā)展較為成熟。但是釬焊法使用金屬相作為連接層連接氧化鋁結(jié)構(gòu)陶瓷存在一些問(wèn)題，一是釬焊接頭的強(qiáng)度低于氧化鋁陶瓷基體，二是接頭中因氧化鋁陶瓷和焊接金屬的熱膨脹系數(shù)的不匹配而產(chǎn)生熱應(yīng)力，三則是一般釬料如錫、鉛等熔點(diǎn)低，使得接頭耐高溫材料性能不足，且耐腐蝕性能差。黏合劑黏結(jié)法工藝簡(jiǎn)單、效率高和成型性能好，但是粘接得到的接頭強(qiáng)度相對(duì)較低、耐熱性差；燃燒反應(yīng)法等方法，雖然也能用于連接陶瓷材料，但連接過(guò)程中界面反應(yīng)難于控制，會(huì)產(chǎn)生較多的缺陷、氣孔使得接頭強(qiáng)度降低。由于氧化鋁陶瓷熔點(diǎn)高，耐化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，在很多應(yīng)用領(lǐng)域陶瓷內(nèi)襯管道上的使用過(guò)程中，需要構(gòu)件在高溫下(1000℃左右)仍然具有良好的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，這就為氧化鋁陶瓷的傳統(tǒng)連接方法提出了新的挑戰(zhàn)。
為了實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷高強(qiáng)度的連接，控制好界面熱應(yīng)力是關(guān)鍵。氧化鋁的熱膨脹系數(shù)為9.3×10-6T-1，低于一般金屬釬料的熱膨脹系數(shù)。熱膨脹系數(shù)的不匹配會(huì)在高溫連接過(guò)程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，影響連接效果。因此，使用氧化鋁或者與氧化鋁的的熱膨脹系數(shù)相近的氧化鋯（10.0×10-6T-1）作為連接材料，可以避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時(shí)提高連接層的穩(wěn)定性和使用溫度。但是由于氧化鋁和氧化鋯的熔點(diǎn)高，要形成致密的連接層需要較高的溫度，增加了陶瓷連接的工藝難度。本工作在使用氧化鋁和氧化鋯作為連接材料的基礎(chǔ)上，提出添加熔點(diǎn)較低的氧化硼相作為第二項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了在較低溫度下(800℃左右)對(duì)氧化鋁陶瓷的連接，比較了不同連接材料的組成和顯微結(jié)構(gòu)的不同。
1實(shí)驗(yàn)步驟
本實(shí)驗(yàn)所采用的兩種連接材料分別是63.9wt.％ZrO2-36.1wt.％B2O3，59.4wt.％氧化鋁-40.6wt.％B2O3。將按比例稱量好的樣品倒入研缽內(nèi)加入少量乙醇混合均勻后干燥。將待燒結(jié)的氧化鋁陶瓷水平放置，然后將混合好的連接材料均勻鋪在兩塊氧化鋁陶瓷之間，并加壓使陶瓷與連接材料之間保持良好的接觸，然后放入馬弗爐裝置中進(jìn)行陶瓷連接。以10℃/min的速率升溫到800℃，然后保溫5min，自然冷卻至室溫。用金剛石刀片將連接后的樣品切割并進(jìn)行表面拋光處理，處理后將試樣置于SEM中進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，使用EDS對(duì)連接層進(jìn)行了元素面掃描分析。在進(jìn)行連接實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，將連接材料單獨(dú)進(jìn)行加熱處理，冷卻后研磨成粉，利用XRD對(duì)連接層的物相進(jìn)行分析。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1連接材料為ZrO2-B2O3
800℃熱處理后，氧化鋁陶瓷之間實(shí)現(xiàn)了連接，連接層分布均勻，與基體之間無(wú)明顯色差。圖1為使用B2O3-ZrO2作為連接相的連接層的XRD分析結(jié)果。結(jié)果顯示，800℃熱處理實(shí)現(xiàn)連接后，B2O3與氧化鋁沒(méi)有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，沒(méi)有新物質(zhì)生成。連接層成分與初始原料相同。將連接后的氧化鋁陶瓷樣品切斷并將斷面拋光后使用SEM觀察。如圖2所示，連接層厚度約為200μm，形貌均勻，無(wú)裂紋，氣孔等缺陷。與陶瓷兩個(gè)表面連接緊密，沒(méi)有發(fā)生分層或剝離。在更高放大倍率下，可以看到在氧化鋁表面附近連接層一側(cè)，沿界面存在一些粒徑小于10μm的顆粒。通過(guò)進(jìn)一步使用面掃描對(duì)斷面成分分布進(jìn)行觀察(如圖3所示)，可以看到這些顆粒中Zr元素富集。連接層中斷面形貌均勻的區(qū)域與B分布的區(qū)域一致。同時(shí)，氧化鋁沒(méi)有向連接層中擴(kuò)散。連接過(guò)程中B2O3與ZrO2沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這些顆粒成分為ZrO2。熱處理過(guò)程中，B2O3形成液相。由于ZrO2比重較大，重力場(chǎng)中會(huì)沉積在液相底部。實(shí)驗(yàn)中，左側(cè)氧化鋁陶瓷在連接過(guò)程中位于下方，因此液相B2O3中ZrO2通過(guò)沉降分布在界面靠近氧化鋁一側(cè)。
2.2氧化鋁-B2O3
800℃熱處理后，氧化鋁陶瓷之間實(shí)現(xiàn)了緊密連接，連接層分布均勻，顏色為白色，與基體之間也無(wú)明顯色差。圖4為使用B2O3-氧化鋁作為連接相的連接層的XRD分析結(jié)果?？梢钥吹?，熱處理連接后，連接層成分包括B2O3，氧化鋁和Al4B2O9。B2O3和氧化鋁在加熱過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物Al4B2O9。反應(yīng)遵循如下方程式：
B2O3＋2氧化鋁＝Al4B2O9@
使用SEM觀察拋光斷面并對(duì)斷面成分進(jìn)行面掃描，結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹?，在連接層中分布有大量顆粒。Al元素的分布與顆粒的分布一致，猜測(cè)這些顆?？赡馨趸X和Al4B2O9。B元素的EDS分析表明，連接層中除大量顆粒之外的連續(xù)相為未參與反應(yīng)的B2O3。在進(jìn)行B元素的EDS分析時(shí)，重元素Al的存在使B元素特征X射線的強(qiáng)度變低。因此Al4B2O9中B元素信號(hào)會(huì)受到Al的影響，造成EDS分布結(jié)果顯示為顆粒所在區(qū)域B元素分布少。interface在更高放大倍率下對(duì)氧化鋁陶瓷與連接層界面附近的顆粒進(jìn)行SEM觀察，如圖6所示，可以看到大量隨機(jī)分布的棒狀晶粒的存在。這些棒狀晶粒即為B2O3與氧化鋁反應(yīng)產(chǎn)物Al4B2O9。B2O3除了與氧化鋁粉體反應(yīng)，同時(shí)也會(huì)與氧化鋁陶瓷表面發(fā)生反應(yīng)，形成相同的產(chǎn)物Al4B2O9。相比于原料粉體氧化鋁，陶瓷表面的反應(yīng)活性較低，因此反應(yīng)產(chǎn)物Al4B2O9較少。陶瓷表面與B2O3反應(yīng)產(chǎn)生的棒狀A(yù)l4B2O9與連接層內(nèi)棒狀A(yù)l4B2O9相互交錯(cuò)穿插，強(qiáng)化了連接層與陶瓷基體的界面，使得氧化鋁-B2O3體系連接氧化鋁陶瓷具有更高的連接強(qiáng)度。
3結(jié)論
分別實(shí)現(xiàn)了B2O3-ZrO2和氧化鋁-B2O3體系用于氧化鋁陶瓷的連接。B2O3-ZrO2體系連接層沒(méi)有新物質(zhì)產(chǎn)生，連接層成分分布較為均勻，底層有ZrO2顆粒的富集，連接強(qiáng)度不足。由于B2O3分別與粉體氧化鋁和氧化鋁陶瓷表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成交錯(cuò)穿插的Al4B2O9棒狀晶粒，使用氧化鋁-B2O3體系強(qiáng)化了連接層與陶瓷的界面獲得更大的連接強(qiáng)度。