铁氧体玻璃钎焊接头结构及功能原位一体调控及机理研究

To meet the requirements of the mechanical and magnetic performances of the ferrite joint, a composite glass braze was used to join the ferrite ceramic based on its physical properties. The mechanical and magnetic performances of the joint was co-improved by the synthesized ferrite particles and Bi5Ti3FeO15 whisker with large length to diameter and high strength distributed uniformly in the joint. The phase and microstructure of the joint were in situ controlled by the origin composite glass brazes and joining process, the mechanical reliability and magnetic performance of the joint were improved simultaneously. Based on the analysis of distribution characteristic, growth mechanism, stress simulation of the synthesized Bi5Ti3FeO15 whisker, the dynamic growth model of the Bi5Ti3FeO15 whisker was founded, and strengthening and distributing mechanism of the Bi5Ti3FeO15 whisker to the mechanical and magnetic performances were studied. At the same time, the best mechanical-magnetic performances of the joint were obtained by the research of the mechanical-magnetic performances and their interaction. All of the above researches will explore new ideas and lay the theoretical foundation for the joining of the ferrite materials.

针对铁氧体陶瓷连接对接头力、磁性能的综合要求，本项目从铁氧体陶瓷材料自身性质出发，提出采用复合低熔玻璃钎料实现铁氧体陶瓷材料的连接。通过在连接过程中形成铁氧体颗粒、大长径比高强的Bi5Ti3FeO15陶瓷晶须复合弥散分布的接头组织联合提高接头的力、磁性能。通过控制复合玻璃钎料成分以及连接工艺，从而实现对连接接头微观物相构成以及组织的原位调控，最终实现铁氧体连接接头应用可靠性及功能性的一体化。在对铁氧体与玻璃钎料界面陶瓷晶须分布特征、生长机理、应力模拟与评价研究的基础上，建立陶瓷晶须在铁氧体与玻璃钎料界面原位生长的动力学数学模型，并阐明原位自生的陶瓷晶须对接头力学性能的强化机制及对磁性能的扰动作用。与此同时通过对铁氧体连接接头的力、磁综合性能进行研究，优化工艺参数，获得最佳的接头力、磁性能，为铁氧体材料连接开拓新思路和奠定理论基础。

锂铁氧体由于具有电阻率高、介电常数小、难击穿、可靠性高、温度稳定性好且成本低廉等特点，已广泛应用于多种微波器件中。实现铁氧体自身高可靠功能性连接，对于促进航空航天技术和电子工业的不断进步具有重要意义。本研究从陶瓷材料自身特点和玻璃钎料的可设计性出发，提出采用低熔点铋硼玻璃钎料连接锂铁氧体与钛酸镁陶瓷。本项目设计制备了铋硼玻璃钎料，研究了玻璃钎料组成与其性能之间的关系，重点分析了连接工艺及玻璃钎料组成对连接界面元素扩散和界面反应及连接接头抗剪强度和介电性能的影响机制。.玻璃钎料的热膨胀系数、特征温度和力学性能与玻璃网络结构及非桥氧数直接相关。玻璃钎料的介电性能则由Bi2O3的含量及玻璃网络结构的疏密程度共同决定。.只有当连接温度等于或高于725℃时，Bi25-BC才开始与LT1发生界面反应，形成Bi5Ti3FeO15晶须。连接温度、保温时间和连接压力均通过影响焊缝中Ti的含量而影响Bi5Ti3FeO15晶须的数量、尺寸及分布。除了Bi5Ti3FeO15晶须，其他析晶相和界面反应产物对抗剪强度不利或不起作用。Bi25-BC连接铁氧体最大抗剪强度为86MPa。.从铁氧体母材扩散至玻璃焊缝中的Ti含量决定是否发生界面反应。Bi5Ti3FeO15相自身晶体结构及焊缝中Ti浓度梯度共同决定Bi5Ti3FeO15相的形貌及取向分布。若焊缝中存在较大的Ti浓度梯度，该浓度梯度将促使Bi5Ti3FeO15晶核沿c轴取向生长为晶须，分布方向与Ti浓度方向一致。反之，Bi5Ti3FeO15晶核将沿(001)晶面取向生长为片状，随机分布。.接头力学性能的分析则表明，脆性片状Bi5Ti3FeO15相以及聚集分布的多层Bi5Ti3FeO15相不能阻挡裂纹扩展或诱导裂纹偏转，对接头强度不利。Bi5Ti3FeO15晶须阵列及分散分布的多层Bi5Ti3FeO15相可以诱导微裂纹发生大角度偏移或层间开裂，增加裂纹扩展路径，使微裂纹断裂能升高，可以有效增韧玻璃基体和连接界面，且Bi5Ti3FeO15晶须的增韧效果更明显。.对连接接头电性能的研究表明，玻璃钎料、连接温度及界面反应共同决定连接接头的电性能。其中，Bi25-BC所获连接接头的介电常数与原始铁氧体较为接近。Bi5Ti3FeO15晶须的形成则可以一定程度上降低接头的介电损耗角正切（电阻率）。