氧化鋁陶瓷機(ji)械強(qiang)度高、介電(dian)損耗小(xiao)、絕緣電(dian)阻大(da)、硬度高、耐(nai)磨、耐(nai)腐(fu)蝕(shi)、耐(nai)高溫和抗熱沖(chong)擊，廣泛應(ying)用于(yu)航空(kong)、軍事、機(ji)械、石油、化工、建筑及電(dian)子等各個行(xing)業。但是，由于(yu)脆性大(da)、燒結(jie)溫度高和加工困(kun)難等缺點，氧化鋁陶(tao)(tao)瓷難以制備(bei)成尺寸大(da)、形狀復(fu)雜(za)(za)的構(gou)(gou)件(jian)，因此其應(ying)用范(fan)圍(wei)(wei)也受到了很大(da)的限(xian)制。使用陶(tao)(tao)瓷連(lian)接將簡(jian)單(dan)的結(jie)構(gou)(gou)陶(tao)(tao)瓷部(bu)件(jian)組合成形狀復(fu)雜(za)(za)的構(gou)(gou)件(jian)，對于(yu)降低其生產成本，拓展其應(ying)用范(fan)圍(wei)(wei)具(ju)有重(zhong)要意(yi)義(yi)。
目前，對(dui)于(yu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物陶(tao)瓷(ci)(ci)燒(shao)結(jie)(jie)(jie)體的(de)連接(jie)(jie)方(fang)(fang)法(fa)主要包括(kuo)：釬(han)焊(han)法(fa)、黏(nian)結(jie)(jie)(jie)法(fa)、燃燒(shao)反應(ying)法(fa)及(ji)微(wei)波加熱連接(jie)(jie)法(fa)等(deng)(deng)。其中(zhong)，使用傳統的(de)釬(han)焊(han)法(fa)發展(zhan)較(jiao)為(wei)成(cheng)熟。但是釬(han)焊(han)法(fa)使用金屬相(xiang)作為(wei)連接(jie)(jie)層連接(jie)(jie)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)結(jie)(jie)(jie)構陶(tao)瓷(ci)(ci)存在一(yi)些(xie)問題，一(yi)是釬(han)焊(han)接(jie)(jie)頭(tou)(tou)的(de)強(qiang)度(du)低(di)(di)于(yu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)陶(tao)瓷(ci)(ci)基(ji)體，二是接(jie)(jie)頭(tou)(tou)中(zhong)因氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)陶(tao)瓷(ci)(ci)和焊(han)接(jie)(jie)金屬的(de)熱膨脹系(xi)數(shu)的(de)不匹配而產生熱應(ying)力，三則是一(yi)般釬(han)料如錫、鉛等(deng)(deng)熔點低(di)(di)，使得接(jie)(jie)頭(tou)(tou)耐(nai)(nai)高(gao)溫材料性(xing)(xing)能(neng)不足，且(qie)耐(nai)(nai)腐蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)差。黏(nian)合劑黏(nian)結(jie)(jie)(jie)法(fa)工藝簡單(dan)、效(xiao)率(lv)高(gao)和成(cheng)型性(xing)(xing)能(neng)好，但是粘接(jie)(jie)得到的(de)接(jie)(jie)頭(tou)(tou)強(qiang)度(du)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)(di)、耐(nai)(nai)熱性(xing)(xing)差；燃燒(shao)反應(ying)法(fa)等(deng)(deng)方(fang)(fang)法(fa)，雖然(ran)也能(neng)用于(yu)連接(jie)(jie)陶(tao)瓷(ci)(ci)材料，但連接(jie)(jie)過(guo)程中(zhong)界面反應(ying)難于(yu)控制，會產生較(jiao)多(duo)(duo)的(de)缺陷、氣孔(kong)使得接(jie)(jie)頭(tou)(tou)強(qiang)度(du)降低(di)(di)。由于(yu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)陶(tao)瓷(ci)(ci)熔點高(gao)，耐(nai)(nai)化(hua)(hua)學腐蝕(shi)能(neng)力強(qiang)，在很多(duo)(duo)應(ying)用領域陶(tao)瓷(ci)(ci)內(nei)襯管(guan)道上(shang)的(de)使用過(guo)程中(zhong)，需要構件(jian)在高(gao)溫下(1000℃左右)仍(reng)然(ran)具有良好的(de)穩定性(xing)(xing)和強(qiang)度(du)，這(zhe)就為(wei)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)陶(tao)瓷(ci)(ci)的(de)傳統連接(jie)(jie)方(fang)(fang)法(fa)提出(chu)了新(xin)的(de)挑戰(zhan)。
為(wei)了(le)實現氧(yang)(yang)化(hua)鋁陶(tao)(tao)瓷高強度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)連(lian)(lian)接(jie)(jie)，控(kong)制好界面(mian)熱(re)應力(li)(li)是關鍵。氧(yang)(yang)化(hua)鋁的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)膨脹(zhang)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)為(wei)9.3×10-6T-1，低于(yu)一般(ban)金屬(shu)釬料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)膨脹(zhang)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)。熱(re)膨脹(zhang)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)不匹(pi)配會在(zai)高溫連(lian)(lian)接(jie)(jie)過程中產生較大的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)應力(li)(li)，影響連(lian)(lian)接(jie)(jie)效果。因此，使用氧(yang)(yang)化(hua)鋁或(huo)者與(yu)氧(yang)(yang)化(hua)鋁的(de)(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)膨脹(zhang)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)相(xiang)近(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)氧(yang)(yang)化(hua)鋯（10.0×10-6T-1）作為(wei)連(lian)(lian)接(jie)(jie)材(cai)料(liao)，可(ke)以避免產生熱(re)應力(li)(li)，同(tong)(tong)時提(ti)(ti)高連(lian)(lian)接(jie)(jie)層的(de)(de)(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)(he)使用溫度(du)。但是由(you)于(yu)氧(yang)(yang)化(hua)鋁和(he)(he)氧(yang)(yang)化(hua)鋯的(de)(de)(de)(de)(de)熔點(dian)高，要形成致密的(de)(de)(de)(de)(de)連(lian)(lian)接(jie)(jie)層需(xu)要較高的(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)，增加了(le)陶(tao)(tao)瓷連(lian)(lian)接(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)工藝難度(du)。本工作在(zai)使用氧(yang)(yang)化(hua)鋁和(he)(he)氧(yang)(yang)化(hua)鋯作為(wei)連(lian)(lian)接(jie)(jie)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)基礎上，提(ti)(ti)出(chu)添加熔點(dian)較低的(de)(de)(de)(de)(de)氧(yang)(yang)化(hua)硼相(xiang)作為(wei)第二(er)項，實現了(le)在(zai)較低溫度(du)下(800℃左右)對氧(yang)(yang)化(hua)鋁陶(tao)(tao)瓷的(de)(de)(de)(de)(de)連(lian)(lian)接(jie)(jie)，比(bi)較了(le)不同(tong)(tong)連(lian)(lian)接(jie)(jie)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)組成和(he)(he)顯微(wei)結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)不同(tong)(tong)。
1實驗步驟
本實驗所采用的(de)兩(liang)種連(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)材料分(fen)別是63.9wt.％ZrO2-36.1wt.％B2O3，59.4wt.％氧化鋁-40.6wt.％B2O3。將按比(bi)例稱量好的(de)樣(yang)品倒入(ru)研缽內加(jia)入(ru)少量乙(yi)醇混合均勻后(hou)(hou)(hou)干燥(zao)。將待燒結的(de)氧化鋁陶瓷水(shui)平(ping)放(fang)置(zhi)(zhi)，然(ran)(ran)后(hou)(hou)(hou)將混合好的(de)連(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)材料均勻鋪在兩(liang)塊(kuai)氧化鋁陶瓷之(zhi)間(jian)，并加(jia)壓使(shi)(shi)陶瓷與(yu)連(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)材料之(zhi)間(jian)保(bao)持良好的(de)接(jie)(jie)(jie)觸，然(ran)(ran)后(hou)(hou)(hou)放(fang)入(ru)馬弗爐(lu)裝(zhuang)置(zhi)(zhi)中進行(xing)(xing)陶瓷連(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)。以10℃/min的(de)速率升溫(wen)到800℃，然(ran)(ran)后(hou)(hou)(hou)保(bao)溫(wen)5min，自然(ran)(ran)冷卻至(zhi)室溫(wen)。用金剛石刀片將連(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)后(hou)(hou)(hou)的(de)樣(yang)品切割并進行(xing)(xing)表面(mian)(mian)拋光處理(li)，處理(li)后(hou)(hou)(hou)將試樣(yang)置(zhi)(zhi)于(yu)SEM中進行(xing)(xing)顯微結構分(fen)析，使(shi)(shi)用EDS對(dui)連(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)層進行(xing)(xing)了(le)元素面(mian)(mian)掃描(miao)分(fen)析。在進行(xing)(xing)連(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)實驗的(de)同時，將連(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)材料單獨進行(xing)(xing)加(jia)熱處理(li)，冷卻后(hou)(hou)(hou)研磨成粉，利用XRD對(dui)連(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)層的(de)物相進行(xing)(xing)分(fen)析。
2實驗結果與討論
2.1連接材料(liao)為ZrO2-B2O3
800℃熱(re)(re)處理(li)后(hou)，氧(yang)化(hua)鋁(lv)陶(tao)瓷之間(jian)(jian)實(shi)現(xian)了(le)連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)，連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)分(fen)布均(jun)勻(yun)(yun)，與(yu)(yu)(yu)基體之間(jian)(jian)無(wu)明(ming)顯色差。圖1為(wei)使用B2O3-ZrO2作為(wei)連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)相(xiang)的連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)的XRD分(fen)析(xi)結果。結果顯示，800℃熱(re)(re)處理(li)實(shi)現(xian)連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)后(hou)，B2O3與(yu)(yu)(yu)氧(yang)化(hua)鋁(lv)沒(mei)(mei)有(you)(you)發生明(ming)顯的化(hua)學反(fan)應，沒(mei)(mei)有(you)(you)新物質生成(cheng)(cheng)。連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)成(cheng)(cheng)分(fen)與(yu)(yu)(yu)初始原料相(xiang)同(tong)。將(jiang)連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)后(hou)的氧(yang)化(hua)鋁(lv)陶(tao)瓷樣品切斷(duan)并將(jiang)斷(duan)面(mian)拋光后(hou)使用SEM觀察(cha)(cha)。如圖2所示，連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)厚(hou)度約為(wei)200μm，形(xing)貌均(jun)勻(yun)(yun)，無(wu)裂紋(wen)，氣孔等缺陷(xian)。與(yu)(yu)(yu)陶(tao)瓷兩(liang)個表(biao)面(mian)連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)緊密，沒(mei)(mei)有(you)(you)發生分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)或剝離(li)。在(zai)更高(gao)放大(da)倍率下，可以(yi)看(kan)到在(zai)氧(yang)化(hua)鋁(lv)表(biao)面(mian)附近(jin)連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)一側(ce)(ce)，沿界面(mian)存(cun)在(zai)一些粒徑(jing)小于(yu)10μm的顆(ke)(ke)粒。通過進一步使用面(mian)掃描對(dui)斷(duan)面(mian)成(cheng)(cheng)分(fen)分(fen)布進行觀察(cha)(cha)(如圖3所示)，可以(yi)看(kan)到這些顆(ke)(ke)粒中(zhong)Zr元素富集(ji)。連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)中(zhong)斷(duan)面(mian)形(xing)貌均(jun)勻(yun)(yun)的區(qu)域與(yu)(yu)(yu)B分(fen)布的區(qu)域一致。同(tong)時(shi)，氧(yang)化(hua)鋁(lv)沒(mei)(mei)有(you)(you)向(xiang)連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)中(zhong)擴散(san)。連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)過程(cheng)中(zhong)B2O3與(yu)(yu)(yu)ZrO2沒(mei)(mei)有(you)(you)發生化(hua)學反(fan)應，這些顆(ke)(ke)粒成(cheng)(cheng)分(fen)為(wei)ZrO2。熱(re)(re)處理(li)過程(cheng)中(zhong)，B2O3形(xing)成(cheng)(cheng)液(ye)相(xiang)。由于(yu)ZrO2比重較大(da)，重力場中(zhong)會沉積在(zai)液(ye)相(xiang)底部(bu)。實(shi)驗中(zhong)，左側(ce)(ce)氧(yang)化(hua)鋁(lv)陶(tao)瓷在(zai)連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)過程(cheng)中(zhong)位于(yu)下方，因此液(ye)相(xiang)B2O3中(zhong)ZrO2通過沉降分(fen)布在(zai)界面(mian)靠近(jin)氧(yang)化(hua)鋁(lv)一側(ce)(ce)。
2.2氧化鋁(lv)-B2O3
800℃熱(re)處理后(hou)，氧化(hua)鋁(lv)陶瓷(ci)之(zhi)間實現了緊(jin)密(mi)連(lian)接(jie)，連(lian)接(jie)層(ceng)(ceng)分布均(jun)勻，顏色為白色，與(yu)基體(ti)之(zhi)間也無明顯色差。圖4為使用(yong)B2O3-氧化(hua)鋁(lv)作為連(lian)接(jie)相的連(lian)接(jie)層(ceng)(ceng)的XRD分析結(jie)果(guo)。可(ke)以看到，熱(re)處理連(lian)接(jie)后(hou)，連(lian)接(jie)層(ceng)(ceng)成分包(bao)括B2O3，氧化(hua)鋁(lv)和(he)Al4B2O9。B2O3和(he)氧化(hua)鋁(lv)在加(jia)熱(re)過程(cheng)中發生(sheng)了化(hua)學反(fan)應，生(sheng)成產物Al4B2O9。反(fan)應遵循如下(xia)方程(cheng)式：
B2O3＋2氧化(hua)鋁(lv)＝Al4B2O9@
使(shi)用SEM觀察拋光斷面(mian)并對斷面(mian)成(cheng)分(fen)(fen)進行(xing)面(mian)掃描，結果(guo)如圖5所示(shi)。可以(yi)看到，在(zai)(zai)連(lian)接(jie)層中(zhong)(zhong)分(fen)(fen)布(bu)有大量(liang)顆(ke)粒(li)。Al元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)布(bu)與(yu)(yu)顆(ke)粒(li)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)布(bu)一致，猜測這些顆(ke)粒(li)可能包含氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁(lv)和Al4B2O9。B元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)EDS分(fen)(fen)析表明，連(lian)接(jie)層中(zhong)(zhong)除大量(liang)顆(ke)粒(li)之外的(de)(de)(de)(de)(de)連(lian)續相為未(wei)參與(yu)(yu)反應的(de)(de)(de)(de)(de)B2O3。在(zai)(zai)進行(xing)B元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)EDS分(fen)(fen)析時，重元素(su)Al的(de)(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)使(shi)B元素(su)特(te)征X射線的(de)(de)(de)(de)(de)強度變低(di)。因(yin)(yin)此Al4B2O9中(zhong)(zhong)B元素(su)信號會受到Al的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，造成(cheng)EDS分(fen)(fen)布(bu)結果(guo)顯示(shi)為顆(ke)粒(li)所在(zai)(zai)區域B元素(su)分(fen)(fen)布(bu)少(shao)。interface在(zai)(zai)更高(gao)放大倍率下對氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁(lv)陶(tao)(tao)瓷與(yu)(yu)連(lian)接(jie)層界面(mian)附近的(de)(de)(de)(de)(de)顆(ke)粒(li)進行(xing)SEM觀察，如圖6所示(shi)，可以(yi)看到大量(liang)隨機(ji)分(fen)(fen)布(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)棒狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)。這些棒狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)粒(li)即為B2O3與(yu)(yu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁(lv)反應產(chan)物(wu)Al4B2O9。B2O3除了(le)與(yu)(yu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁(lv)粉(fen)體反應，同(tong)時也(ye)會與(yu)(yu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁(lv)陶(tao)(tao)瓷表面(mian)發生反應，形成(cheng)相同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)物(wu)Al4B2O9。相比于原(yuan)料粉(fen)體氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁(lv)，陶(tao)(tao)瓷表面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)反應活性較(jiao)低(di)，因(yin)(yin)此反應產(chan)物(wu)Al4B2O9較(jiao)少(shao)。陶(tao)(tao)瓷表面(mian)與(yu)(yu)B2O3反應產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)棒狀(zhuang)(zhuang)Al4B2O9與(yu)(yu)連(lian)接(jie)層內棒狀(zhuang)(zhuang)Al4B2O9相互(hu)交錯穿插，強化(hua)(hua)(hua)(hua)了(le)連(lian)接(jie)層與(yu)(yu)陶(tao)(tao)瓷基體的(de)(de)(de)(de)(de)界面(mian)，使(shi)得氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁(lv)-B2O3體系(xi)連(lian)接(jie)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁(lv)陶(tao)(tao)瓷具有更高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)連(lian)接(jie)強度。
3結論
分別實現了(le)B2O3-ZrO2和(he)氧化(hua)鋁(lv)-B2O3體(ti)(ti)(ti)系用(yong)于(yu)氧化(hua)鋁(lv)陶(tao)瓷(ci)的(de)連接(jie)(jie)。B2O3-ZrO2體(ti)(ti)(ti)系連接(jie)(jie)層(ceng)沒有新物質產生，連接(jie)(jie)層(ceng)成分分布較為均勻，底層(ceng)有ZrO2顆粒(li)的(de)富集，連接(jie)(jie)強(qiang)度不足。由于(yu)B2O3分別與(yu)(yu)粉(fen)體(ti)(ti)(ti)氧化(hua)鋁(lv)和(he)氧化(hua)鋁(lv)陶(tao)瓷(ci)表面(mian)發生化(hua)學反應生成交錯穿插的(de)Al4B2O9棒狀晶粒(li)，使用(yong)氧化(hua)鋁(lv)-B2O3體(ti)(ti)(ti)系強(qiang)化(hua)了(le)連接(jie)(jie)層(ceng)與(yu)(yu)陶(tao)瓷(ci)的(de)界(jie)面(mian)獲得更大(da)的(de)連接(jie)(jie)強(qiang)度。