基于微晶玻璃中间层的氧化铝陶瓷瞬间液相连接方法及机理研究

In order to meet the requirements of alumina/alumina joints for high temperature application, glass ceramic was used as interlayer for transient liquid phase bonding of alumina ceramic. The interfacial reaction between glass ceramic and alumina can lead to excellent metallurgical bonding and promote isothermal solidification of glass ceramic interlayer at the same time. In this approach, the alumina/alumina joints with high strength, low stress and high heat resistance can be obtained. Based on the research of high temperature wetting behavior, interfacial microstructure and chemical bonds, the micro-mechanism of reaction bonding of joints will be revealed. The growth kinetics of interfacial reaction layer and evolution mechanism of joint microstructure will be specified. The aim is to reveal the isothermal solidification mechanism of glass ceramic filler caused by interfacial reaction. The mechanical properties, fracture morphology and stress distribution of joints will be studied to obtain the strengthening mechanism and high temperature damage mechanism of joints. This project will provide a new idea for fabricating joints with high heat resistance and it also has a significant meaning for rich the joining theory of ceramic materials and broadening the application scope of high temperature structural ceramics.

针对氧化铝陶瓷接头的高温应用需要，本项目提出了以微晶玻璃为中间层的瞬间液相连接方法。利用微晶玻璃与氧化铝陶瓷之间的界面反应实现两者的冶金连接并促使微晶玻璃中间层发生等温凝固，进而获得具有高强度、低应力和高耐热性的氧化铝陶瓷接头。通过对微晶玻璃焊料的高温润湿铺展行为、界面显微结构和界面化学键合情况的分析，揭示接头化学反应连接的微观机制。通过对界面反应层生长动力学和接头微观结构演化机制的研究，揭示界面反应驱动的微晶玻璃等温凝固机理。结合接头力学性能测试、断口形貌观察以及接头应力分布的数值模拟，阐明接头强化机理及高温损伤机理。本研究将为提高陶瓷接头的耐高温性提供新的思路，对于丰富陶瓷材料的连接理论、拓宽高温结构陶瓷的应用领域具有重要意义。

针对氧化铝陶瓷接头的高温应用需要，本项目提出以氧化物焊料为中间层的瞬间液相连接方法。利用CaO-Al2O3-SiO2基玻璃焊料与氧化铝陶瓷之间的界面反应引起焊料成分变化，进而导致残余玻璃焊料等温晶化（凝固），实现了氧化铝陶瓷的瞬间液相连接。研究表明，玻璃焊料本身的析出相为榍石晶体且晶化方式为表面晶化。玻璃焊料在氧化铝陶瓷表面具有优异的润湿性。在连接过程中，玻璃焊料能够和氧化铝陶瓷发生界面反应，形成钙长石晶体，且界面反应层生长动力学符合抛物线规律。界面反应使焊料中玻璃网络形成体SiO2含量减少，进而引起残余玻璃焊料等温晶化，形成硅灰石晶体。力学性能测试结果表明，等温凝固接头的耐高温性要优于晶化处理获得的接头。另外，项目采用SrO-Al2O3共晶焊料连接氧化铝陶瓷。在连接过程中，焊料中的SrO向氧化铝母材中扩散，引起焊料成分变化并发生等温凝固。随保温时间的延长，焊缝从两相共晶组织逐渐转变为单相组织。当连接温度为1650℃，保温时间为60min时，形成完全由SrAl2O4晶体组成的接头焊缝。由于SrAl2O4晶体的热膨胀系数与氧化铝母材接近，且其熔点高达1960℃，因此保证了接头的高强度、低应力和良好的耐高温性。