多孔氧化铝陶瓷与金属的连接

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多孔氧化铝陶瓷具有高渗透性、优异的化学稳定性、高比表面积和良好的耐高温性，作为膜支撑材料被广泛应用于氢分离领域。然而，多孔氧化铝支撑管与金属之间的可靠连接问题一直是制约膜分离技术发展的主要难题之一。通过引入致密氧化铝陶瓷作为中间层，构建多孔氧化铝/致密氧化铝/金属的“三明治”接头构型，联合微晶玻璃封接和活性钎焊，成功实现了多孔氧化铝陶瓷与金属的可靠连接。 针对多孔氧化铝/致密氧化铝接头，采用自行设计的CaO-Al2O3-SiO2系（CAS）和ZnO-Al2O3-SiO2系（ZAS）微晶玻璃焊料连接，并分别对其进行研究。CAS玻璃的热分析结果表明，锂辉石（LiAlSi2O6）和榍石（CaTiSiO5）分别于780℃和890℃析出，并分别在1083℃和1207℃发生溶解。CAS玻璃的热膨胀系数为7.4×10-6/℃，与氧化铝陶瓷的热膨胀系数（8.1×10-6）十分匹配。接头微观结构分析表明，快冷（50℃/min）抑制了玻璃中间层在降温过程中晶化，导致中间层玻璃中仅有榍石析出或为完全的非晶态。而缓冷（15℃/min）致使接头中间层中不仅析出了榍石也形成了钙长石（CaAl2Si2O8）。通过在降温过程中对接头进行晶化处理（800℃-900℃）促进了锂辉石的形成。由于界面结构的相似性，采用致密氧化铝/致密氧化铝接头来考察相组成对接头力学性能的影响。结果表明，锂辉石的形成大大降低了接头强度和热震抗力。这是由于锂辉石的热膨胀系数（0.9×10-6）与玻璃基体和氧化铝陶瓷均相差很大的缘故。当接头界面仅存在榍石或为完全的非晶态时，接头强度高达285-290MPa。这是因为两种条件下中间层玻璃与氧化铝陶瓷的热膨胀行为较为匹配。并且，榍石的形成也改善了中间层的强韧性。 ZAS玻璃能够在778℃和914℃分别析出锌尖晶石（ZnAl2O4）和硅酸锌（Zn2SiO4）。并且硅酸锌和锌尖晶石分别在1086℃和1240℃发生溶解。ZAS玻璃的热膨胀系数为5.35×10-6/℃，与氧化铝基体的热膨胀系数差别较大。然而，通过促进玻璃中锌尖晶石（CTE=7×10-6/℃）和硅酸锌（CTE=5.5-7×10-6/℃）的析出能够提高玻璃的热膨胀系数，进而改善玻璃焊料与氧化铝基体热膨胀的不匹配性。在连接过程中，玻璃熔体中的ZnO能够与氧化铝基体发生界面反应，导致在氧化铝/玻璃界面形成了一层锌尖晶石反应层。反应层的形成实现了氧化铝陶瓷与ZAS玻璃的化学连接。另外，研究表明，冷却速度的改变对中间层玻璃的相组成影响不大，而连接温度的提高（1250℃）则导致了中间层中析出的锌尖晶石发生溶解。接头经950℃晶化处理后，玻璃中间层中能够析出大量的锌尖晶石和硅酸锌。由于ZAS玻璃与氧化铝陶的热膨胀系数差别较大，因而当接头中间层为完全玻璃态时，其接头强度较低（130MPa）。而当中间层玻璃中有锌尖晶石或硅酸锌析出时，接头强度提高到280-295MPa，接近氧化铝基体的强度水平（300MPa）。其原因是中间层玻璃的晶化改善了非晶态玻璃与氧化铝陶瓷热膨胀系数的不匹配性。 通过在致密氧化铝陶瓷表面磁控溅射一层Ti，并配合使用高熔点，低屈服强度的Ag-5Pd钎料，实现了致密氧化铝陶瓷与Kovar合金的可靠连接。主要考察了Ti膜厚度对润湿性、界面微观结构和接头力学性能的影响。微观结构分析表明，在氧化铝/钎料界面存在一层反应层。采用SEM、TEM和XRD技术确定了界面反应产物为氧化钛和Pd-Ti化合物，并构建了钎料润湿机理模型和界面反应机理模型。力学性能测试表明接头强度与界面反应层厚度和残余钎料层厚度密切相关，接头最高弯曲强度为177.3MPa。