摘要：无机非金属材料由于其高强度、高硬度、耐腐蚀、绝缘性能优异等特色，被广泛应用于冶金、宇航、机械、汽车、电子、光学等领域。但是，无机非金属材料的塑韧性差，难以制作大而复杂的结构，而且冷加工性能差，导致其实际应用受到很大的限制。而金属材料的强韧性及优异的冷加工性能可弥补陶瓷材料的此种缺点。此外，电真空器件中，陶瓷作为绝缘材料通常需要与金属进行密封连接，而玻璃材料则由于其具有良好的透光性、容易加工为各种复杂形状而在电真空领域得到了一定的应用。因此，无机非金属材料与金属材料的连接技术一直是材料连接领域的研究热点之一。本文介绍了无机非金属材料（陶瓷、玻璃）与金属材料的常见连接方法（玻璃－金属封接、陶瓷－金属封接、陶瓷－金属活性钎焊、陶瓷－金属瞬间液相扩散焊、陶瓷－金属熔钎焊）及各方法的机理机制，对比了各种方法的优缺点，为工艺设计提供参考。
关键词：无机非金属材料；金属材料；连接
前言：无机非金属材料与金属材料分别具有其独特的力学、电学性能，两者的连接被广泛应用于工业生产及科研工作中无机非金属材料与金属材料的连接难点主要是物理化学性不相容及连接的热应力问题：①玻璃－金属封接工艺对金属（如Kovar合金）表面预氧化以达到与玻璃的润湿连接，Kovar合金则具有与玻璃相近的热膨胀系数，从而减小连接热应力：②陶瓷－金属封接工艺对陶瓷表面涂膏、烧结、电镀后，形成与陶瓷致密连接的金属化层，从而可以直接与金属材料钎焊得到符合要求的接头。③陶瓷－金属活性钎焊利用活性元素（如rri等）直接与陶瓷相反应连接，可很大程度上减少工艺复杂性；④陶瓷－金属过渡液相扩散焊工艺加入中问层设计，可大幅减小接头的钎焊应力，提高接头的力学性能，提升接头的高温高应力环境适应性。
1、概述
由于我国现代建筑所面临的能源形势十分严峻，我们应该广泛选用建筑节能材料，而在这些材料中无机非金属材料又具有很强的节能优势。无机非金属材料包括除金属材料、高分子材料以外的几乎所有材料，这些材料主要由一般陶瓷玻璃、耐火材料、水泥以及特种陶瓷等新型无机工程材料。一般无机非金属材料具有耐高温、高硬度和抗腐蚀等优良工程性能，其主要缺点是抗拉强度低、韧性差。
2、无机非金属材料的特点及应用
无机非金属材料和金属材料以及有机高分子材料等一样，是当代完整的材料体系中的一个重要组成部分。在晶体结构上，无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。无机非金属材料具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能，而高键强赋予这类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。无机非金属材料品种和名目极其繁多，用途各异，因此，还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的（传统的）和先进的（新型的）无机非金属材料两大类。
3、无机非金属材料与金属材料连接的研究
3.1玻璃－金属封接
玻璃－金属封接的主要问题为两者的物理化学不相容和热应力问题。玻璃的主要成为SiO2，Al2O3，为典型的非金属材料，为共价键连接结构，而金属则以电子云的方式结合，导致熔融状态的玻璃材料在金属表面无法润湿铺展，从而无法达到玻璃－金属的封接。此外，玻璃与一般金属的热膨胀系数相差很大，即使两者能够润湿连接，也会在冷却过程中产生较大的应力，甚至出现玻璃炸裂的现象。针对物理化学不相容性问题，主要采用金属材料表面改性的方法，以达到熔融玻璃与金属的润湿铺展。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在电真空行业，目前广泛应用的金属表面改性方法是金属表面预氧化，首先在含氧氛围中加热金属表面，使表面产生与基体结合紧密的氧化膜（如Fe2O3，Fe3O4等），该氧化膜可与熔融的玻璃润湿铺展，从而解决玻璃－金属物理化学不相容问题。
针对玻璃－金属封接应力问题，目前主要采用开发热膨胀系数相近的玻璃、金属的方法。目前在玻璃－金属封接中应用较为广泛的金属材料为Fe－Co－Ni系膨胀合 金（如4J29）和封接玻璃（如DM－308）。
3.2陶瓷－金属封接
与玻璃－金属封接相似，陶瓷－金属封接亦有2种材料物理化学不相容和热应力问题。陶瓷－金属封接工艺主要通过陶瓷表面烧结金属化层的方式实现与金属材料的表面润湿。对热应力的释放则依赖于金属化层和钎焊过程中钎料的变形和缓冲。陶瓷－金属封接广泛采用的是烧结金属粉末法（如活性钼－锰法），该连接工艺主要包括陶瓷的处理、膏粉的制备、涂膏、金属化烧结、镀镍、二次金属化、钎焊等过程。陶瓷表面金属化层的质量是决定整个陶瓷－金属封接接头的主要环节。目前对该种方法的研究主要集中在陶瓷表面金属化的机理研究、表面金属化强度提高、陶瓷与金属化层强度表征等。
3.3陶瓷－金属活性钎焊
陶瓷－金属活性钎焊工艺利用传统的钎焊方法，通过在钎料中添加活性成分（Ti，Zr等），可以增大钎料对氧化物、硅酸盐等物质的亲和力，实现钎料对陶瓷表面的润湿和铺展，完成陶瓷－金属的钎焊，而钎料对金属侧的润湿能力一般都较强，因此对其研究较少。相对于陶瓷－金属封接工艺，陶瓷－金属活性钎焊具有工序少、周期短、封接温度低、零件变形小等优点，因此成为近年来陶瓷－金属连接方向的研究热点。
3.4陶瓷－金属过渡液相扩散焊
陶瓷－金属的活性钎焊工艺可实现两者的可靠连接，但接头的高温高应力下的环境适应性较差，这是由于活性钎焊的连接温度较低。若提高钎焊温度又会引起热应力的增大而陶瓷－金属的过渡液相扩散焊可较好地解决此问题。陶瓷－金属过渡液相扩散焊的中间层一般为复合中间层，即由一薄层低熔点金属或合金熔敷在相对较厚的高熔点核心层上低熔点薄层熔化后扩散进入高熔点材料并与之反应，使液相消失形成的合金或中间层性质取决于高熔点核心材料的物理性质。
3.5应用
在建筑工程中，把用于控制室内热量外流的材料称为保温隔热材料，把防止室内热量外流的材料称为隔热材料。绝热材料的优劣主要有材料的传导性能的高低决定。材料的传导性能越差，其决热性能就好，反之则越差。在现代社会中已形成了三大类绝热材料：有机绝热材料，无机绝热材料，金属。而有机绝热材料相对无机绝热材料来说受到很多限制，与其它构件的结合性差，耐腐蚀性弱，合成浪费能源，不稳定，而且有机性材料的副产物太多，大多对人体又有害，使用中承载力不强，防火性能差，易老化，耐候性也很差等原因受到许多限制。金属类绝热材料的使用相对来说也没有无机非金属材料广，因为金属材料与无机材料相比来源也要窄得多，与其它材料的结合也没有无机非金属材料好，耐腐蚀性也不强，在雷点多发区受到苛刻的技术要求和设计要求。
结语：不同的连接工艺均有其侧重点与优劣势，在工业生产及科研活动中，需要根据实际要求及经济性等方面选择合适的非金属材料－金属材料连接方法。
参考文献：
[1]吴健松，肖应凯，梁海群.改进的水热法在无机非金属材料制备中的应用[J].化学通报，2012（04）：306-311.
[2]季家友，王树林，陈常连，薛俊.无机非金属材料工程工学综合实验教学创新初探[J].教育教学论坛，2012（30）：185-186.
[3]舒凯征.国内无机非金属材料的应用与发展概述[J].科技资讯，2012（32）：57.
论文作者:柳成
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/19
标签：金属论文; 无机论文; 陶瓷论文; 钎焊论文; 非金属材料论文; 玻璃论文; 金属材料论文; 《基层建设》2019年第13期论文;