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陶瓷材料与金属材料化学键结构根本不同,加上陶瓷本身特殊的物理化学性能,因此无论是与金属连接还是陶瓷自身的连接都存在不少的难题。
其主要体现在如下两个问题,其一:陶瓷材料主要由离子键和共价键组成,金属材料则主要是由金属键构成,二者几乎不浸润,因此需要考虑陶瓷与金属材料的润湿性问题,其二:两者的线膨胀系数一般相差较大,当采用热封或者机械连接时,陶瓷与金属的接头处会有较大的应力残留,削弱接头的力学性能甚至使接头受到破坏开裂,因此需考虑接头处的热应力缓解问题。
钎焊就是用熔点低于被焊材料的金属或非晶材料做钎料,加热到低于被焊件母材熔点,高于钎料熔点温度,利用融化的钎料来润湿母材、填充焊缝,实现被焊材料相互连接。
在陶瓷与金属的钎焊连接中,钎料在陶瓷上良好的润湿性是实现有效连接的前提。根据润湿性的不同,陶瓷与金属的钎焊可分为两类:一类是先对陶瓷表面进行预金属化处理,再用钎料连接,称为间接焊接。常见的陶瓷材料表面金属化的处理方法有电镀法、烧结金属粉末法,活性金属法和气相沉积法等。
另一类是直接采用含有活性金属元素的钎料,活性元素与陶瓷表面反应,来增加陶瓷与金属的润湿性,从而达到焊接目的,称为直接(活性)钎焊。目前常用的钎焊活性金属主要是过渡族元素,因其最外层电子未被填满,活性高。将活性金属加入到常用的Cu基,Ag基,Ni基和Au基等钎料中就可以制成活性钎料。
此外,Zr、Hf、V、Ti、Cr等也可以作为活性金属连接元素,但这些元素的熔点相对较高,与陶瓷材料的化学反应性差,主要用于非金属氧化物陶瓷的连接。
Q from @水石
SiC纤维和SiC基体能组成纤维增强陶瓷基复材吗?
碳化硅纤维与碳化硅基体结合形成的高性能纤维增强陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC),是应对极端环境的前沿材料之一。该材料通过化学气相渗透或聚合物浸渍裂解等工艺制备,其中高强SiC纤维作为增韧相,有效抑制脆性断裂,而SiC基体则承担结构支撑作用。
由于纤维与基体的热膨胀系数接近,二者在高温下具备优异的热匹配性。通过在界面处引入氮化硼等弱键合涂层,可诱导裂纹沿界面偏转和纤维拔出,从而显著提升材料的断裂韧性,克服了传统SiC陶瓷脆性高、可靠性不足的问题。
目前,SiC_f/SiC复合材料已广泛应用于航空发动机热端部件、核电站包壳材料以及高推重比燃烧室等高温、高应力和强辐照的极端环境,成为高温结构材料领域的重要突破。
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