PZT陶瓷低温冶金焊接及其界面演化机理研究

Currently, PZT ferroelectric ceramic piles are bonded by using polymer based adhesive materials. Due to the low conductivity, poor aging performance and low anti-shock properties of the joints, the properties of the ferroelectric ceramic piles are greatly influenced. The joints obtained via brazing process using metal alloy solders show high strength, excellent stability and good conductivity; but due to the ferroelectric material thermal depolarization temperature limit, the traditional brazing process also cannot be applied in PZT ceramics piles connecting. This project proposes the use of a variable low-melting-point alloy as an intermediate layer of solder, and investigate the processes and mechanisms of the brazing technology based on the principle of Transient Liquid Phase bonding. The components of low melting point solder will be designed based on the thermodynamic analysis. The wetting properties of alloys on the surface of PZT ceramics will be studied. The reaction kinetics of the weld interface and the phase stability at interface will be discussed. Results of the project will provide theoretical and technical basis for brazing PZT ceramics at low temperatures. The investigation not only provides a strategy for brazing PZT ceramics at low temperature, but also overcomes the current shortcomings of the polymer adhesive joints. The project has important practical and theoretical significance.

目前工程应用中PZT陶瓷堆主要采用高分子材料粘接，存在导电性能差、易老化、耐碰撞冲击性能差等缺点。以金属合金材料作为钎料的冶金焊接具有很高的强度、优异的稳定性和良好的电导，但受铁电材料的热退极化温度所限，传统的钎焊工艺还无法应用在PZT陶瓷堆的连接中。本项目提出采用熔点可变的低熔点合金钎料（熔点<100℃）作为中间层钎料，基于瞬时液相扩散连接的工艺原理，研究在<100℃的温度下对PZT陶瓷进行冶金焊接的工艺和机理。重点研究低温焊接合金的成分及其热力学分析设计方法；低熔点焊接合金对PZT陶瓷的湿润性能；焊接界面的反应动力学和界面组织的稳定性。项目成果将为PZT陶瓷的低温焊接提供理论和技术基础，并解决PZT陶瓷无法低温冶金焊接的难题，同时所获得的连接接头也会克服目前高分子粘接接头的种种缺点，将为铁电电源性能和可靠性的提升以及器件设计自由度的扩大带来巨大的推动作用，具有重要的实际使用价值和理论意

目前工程应用中PZT陶瓷堆主要采用高分子材料粘接，存在导电性能差、易老化、耐碰撞冲击性能差等缺点。以金属合金材料作为钎料的冶金焊接具有很高的强度、优异的稳定性和良好的电导，但受铁电材料的热退极化温度所限，传统的钎焊工艺还无法应用在PZT陶瓷堆的连接中。本项目提出采用熔点可变的低熔点合金钎料（熔点<100℃）作为中间层钎料，基于瞬时液相扩散连接的工艺原理，研究在<100℃的温度下对PZT陶瓷进行冶金焊接的工艺和机理。重点研究了低温焊接合金的成分及其热力学分析设计方法，确定了Bi-Pb-Sn-Cd作为组分的四元合金焊料，其熔点约72℃、熔程1.7℃、物相组成为Bi、Pb7Bi3、Sn和Cd相；Cd与Ag在焊接时发生反应，可使四元合金焊接后再熔温度显著提升；创新提出了基于PEG200分散体系的液相分散方法，制备出平均粒径30微米、完全球形颗粒的四元合金焊粉；研发出以乙醇-乙二醇-二乙二醇单丁醚为复配溶剂的低温助焊剂，在不需要添加额外合金元素的条件下，显著提升了焊料合金的润湿性，并在100℃实现被银陶瓷的低温冶金焊接；发现Cd元素与Ag层的界面反应，是形成良好焊接接头的原因；探明了界面显微组织演化、IMC层厚度、生长速度与力学性能的关系，以及恒温时效（老化）处理对界面组织演化和性能的影响；提出向Bi-Pb-Sn-Cd中混入Ag粉、将Ag-Cd反应从界面处引入焊缝组织内部的新策略，不仅加快了再熔化温度提升速度，还抑制了焊缝组织的粗化；最终以Bi-Pb-Sn-Cd-10Ag焊膏作为中间层，在80℃/30min/0.5MPa下实现了PZT陶瓷的低温冶金连接，接头再熔化温度96℃，接头剪切强度40MPa。项目成果将为PZT陶瓷的低温焊接提供理论和技术基础，并解决PZT陶瓷无法低温冶金焊接的难题，同时所获得的连接接头也会克服目前高分子粘接接头的种种缺点，将为铁电电源性能和可靠性的提升以及器件设计自由度的扩大带来巨大的推动作用，具有重要的实际使用价值和理论意义。