摘要
多孔陶瓷因其特殊的孔结构和陶瓷本身的特殊性能，成为一种性能优异，应用广泛的新型陶瓷材料。目前，在许多国家，如美国、欧洲、日本等国在多孔陶瓷领域投资巨大，我国也逐渐重视该领域的开发与应用。多孔陶瓷在很多领域应用，包括像汽车尾气催化剂载体、多孔陶瓷电极，在过滤、吸音、隔热、透波，甚至生物医学中也有应用。但多孔陶瓷材料脆性大，加工成型较为困难，导致目前想要烧制成品质好的大尺寸多孔陶瓷，成本昂贵，能够将简单的多孔陶瓷零件高质量连接成复杂构件尤为重要，从而扩大多孔陶瓷的应用。 本课题采用的是孔隙率为50%的Si3N4多孔陶瓷。多孔陶瓷难连接有以下原因，一是陶瓷配位键主要由稳定的共价键组成，很难被熔化的金属钎料所润湿；二是需要提供额外的驱动力，克服渗透的能量壁垒，液态钎料渗透多孔陶瓷孔隙是完成焊接的必要条件。超声波辅助钎焊利用超声的声能和热能的作用下，可以促进钎料的毛细作用钻入到孔隙中，从而形成金属化扩散层，无需使用活性钎料，可焊接难润湿的多孔材料。因此，实验研究超声波辅助焊接Si3N4多孔陶瓷与低温Sn9Zn钎料、中温Zn5Al钎料的润湿性，钎料扩散深度及对应影响因素。对于润湿渗透良好的多孔陶瓷材料，进一步实现Si3N4多孔陶瓷结构件的连接，获得性能良好的接头。 本文通过ANSYS模拟软件对钎料池表面的振动情况进行谐响应和瞬态分析，数据显示钎料池中间位置振幅值约为两侧的一半。因此，在Si3N4多孔陶瓷润湿试验当中，钎料池两侧作为良好的润湿位置。Si3N4多孔陶瓷的润湿实验结果表明，Sn9Zn钎料可以润湿母材，渗透深度随着超声加载时间的增加或超声振幅的增强而增加，但是长时间加载强超声会存在浸润深度的极限值。采用Zn5Al钎料润湿多孔陶瓷，钎料也可以钻入，规律同Sn9Zn一致，但Zn5Al渗透孔隙的深度较浅，润湿件可进行后续焊接实验。 通过SEM、EPMA测试，Sn9Zn钎料与母材填充致密无孔洞，通过TEM高分辨对陶瓷/钎料界面分析，界面处形成约2.5nm厚的非晶层。Zn5Al钎料在界面处形成3-8nm厚的非晶层。Si3N4多孔陶瓷在超声辅助的作用下可以达到良好的浸润状态，对于将Sn9Zn钎料和Zn5Al钎料浸润好的多孔陶瓷块，用来作为焊接的结构件。焊接过程中预涂敷液态钎料，加载超声和力的作用成焊接件，并改变实验工艺参数，获得可靠的接头。分析两种钎料的接头组织界面，焊缝致密均匀，没有气孔裂纹等缺陷。对焊接接头进行硬度测试和剪切力学测试。其中，Sn9Zn钎料焊接接头的抗剪切强度在29MPa左右稳定，断口在钎料侧，通过断口XRD分析，主要的衍射峰是Sn元素；Zn5Al钎料焊接接头的抗剪切强度约为40MPa，断裂处发生在陶瓷侧，达到了良好的润湿及焊接效果，建立起润湿与连接之间的联系，探索出最佳的实验参数下对应的焊接接头。 通过EPMA对整体的焊缝测试分析，钎料扩散区结合致密，接头可靠，无明显缺陷。利用CAD绘制多孔陶瓷的二维示意图，其中包括细长通孔与复杂形状，并通过压强公式，分析液态钎料流入多孔陶瓷孔隙的阈值，从理论计算方面验证钎料渗透到孔隙的可能性。为了实现低温高质量连接多孔陶瓷的结构件，采用有Al作为活性元素的Sn9Zn2Al做润湿性及焊接实验，其中在240℃焊接接头的强度可达37.27MPa，采用超声波辅助钎焊的方式，所获得的接头界面结合良好，达到了课题背景提出的强度要求，可以实现在低温下对Si3N4多孔陶瓷的连接性能。
NETL