PZT陶瓷低溫冶金焊接及其界面演化機理研究

目前工程應(yīng)用中PZT陶瓷堆主要采用高分子材料粘接，存在導電性能差、易老化、耐碰撞沖擊性能差等缺點。以金屬合金材料作為釬料的冶金焊接具有很高的強度、優(yōu)異的穩(wěn)定性和良好的電導，但受鐵電材料的熱退極化溫度所限，傳統(tǒng)的釬焊工藝還無法應(yīng)用在PZT陶瓷堆的連接中。本項目提出采用熔點可變的低熔點合金釬料（熔點<100℃）作為中間層釬料，基于瞬時液相擴散連接的工藝原理，研究在<100℃的溫度下對PZT陶瓷進行冶金焊接的工藝和機理。重點研究低溫焊接合金的成分及其熱力學分析設(shè)計方法；低熔點焊接合金對PZT陶瓷的濕潤性能；焊接界面的反應(yīng)動力學和界面組織的穩(wěn)定性。項目成果將為PZT陶瓷的低溫焊接提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，并解決PZT陶瓷無法低溫冶金焊接的難題，同時所獲得的連接接頭也會克服目前高分子粘接接頭的種種缺點，將為鐵電電源性能和可靠性的提升以及器件設(shè)計自由度的擴大帶來巨大的推動作用，具有重要的實際使用價值和理論意

目前工程應(yīng)用中PZT陶瓷堆主要采用高分子材料粘接，存在導電性能差、易老化、耐碰撞沖擊性能差等缺點。以金屬合金材料作為釬料的冶金焊接具有很高的強度、優(yōu)異的穩(wěn)定性和良好的電導，但受鐵電材料的熱退極化溫度所限，傳統(tǒng)的釬焊工藝還無法應(yīng)用在PZT陶瓷堆的連接中。本項目提出采用熔點可變的低熔點合金釬料（熔點<100℃）作為中間層釬料，基于瞬時液相擴散連接的工藝原理，研究在<100℃的溫度下對PZT陶瓷進行冶金焊接的工藝和機理。重點研究低溫焊接合金的成分及其熱力學分析設(shè)計方法；低熔點焊接合金對PZT陶瓷的濕潤性能；焊接界面的反應(yīng)動力學和界面組織的穩(wěn)定性。項目成果將為PZT陶瓷的低溫焊接提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，并解決PZT陶瓷無法低溫冶金焊接的難題，同時所獲得的連接接頭也會克服目前高分子粘接接頭的種種缺點，將為鐵電電源性能和可靠性的提升以及器件設(shè)計自由度的擴大帶來巨大的推動作用，具有重要的實際使用價值和理論意

運用冶金學的焊接過程，促進了焊接的發(fā)展；同時焊接冶金的發(fā)展也促使出現(xiàn)了新的冶金工藝──二次重熔。

焊接化學冶金 焊接化學冶金反應(yīng)的特點是溫度高而時間短促；相間反應(yīng)界面的比表面積大；因此，反應(yīng)極為激烈。焊接化學冶金過程是分區(qū)域（或階段）連續(xù)進行的；以手工電弧焊為例，可分為藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)（圖1）。

早期的觀點及近期發(fā)展出的結(jié)論逐步將爆炸焊接界面波存在的不規(guī)則性呈現(xiàn)出來，并進行了定性分析，但尚未實現(xiàn)量化分析。據(jù)此，本項目以爆炸焊接界面為研究對象，基于分形理論建立了焊接界面形貌定量分析方法。主要研究內(nèi)容及對應(yīng)結(jié)果： (1) 基于爆炸焊接波狀界面形成的失穩(wěn)機理與流體—彈塑性模型，在飛板反向射流與空氣之間存在著R-T、K-H，甚至R-M不穩(wěn)定性條件，因而提出失穩(wěn)是發(fā)生在金屬流體薄膜與空氣之間。由界面波幅與波長之比判定線性理論成立，從而建立雙層流體失穩(wěn)線性控制方程，獲得失穩(wěn)發(fā)展特征指數(shù)表達式。結(jié)果表明在金屬流體彈—粘性與失穩(wěn)機制競爭作用下，特定波長范圍的擾動能夠被優(yōu)先發(fā)展，其他波長的擾動被抑制或未能發(fā)展，從而使得波狀界面在沿爆轟方向較為一致，實驗結(jié)果也驗證了這一結(jié)論的正確性。 (2) 進一步利用分形理論研究爆炸焊接界面形貌特征。運用三維超景深顯微鏡獲得界面形貌圖像，通過Matlab圖像分析技術(shù)對界面形貌進行二值化處理，基于分形理論獲得圖像分維值以及多重分維譜，從而建立界面形貌定量表征方法。 (3) 基于(2)所建立的方法對(1)所闡述的爆炸焊接界面波的形成、發(fā)展與最終形貌開展分維表征，從而實現(xiàn)對界面形貌的定量分析。 (4)利用(3)所形成的結(jié)論，對爆炸焊接界面形貌差異開展定量化評價。運用三維超景深顯微鏡獲得爆炸焊接界面形貌圖像，結(jié)合沖量理論，定義中心區(qū)域與邊側(cè)區(qū)域分界線；最后基于分形理論實現(xiàn)焊接界面形貌差異定量描述。 (5)利用(4)所形成的結(jié)論，結(jié)合分維是熵的度量之物理意義建立界面結(jié)構(gòu)熵，導出波狀焊接界面微觀結(jié)合面積計算式；結(jié)合內(nèi)聚力模型，闡述界面結(jié)構(gòu)對復合性能影響的能量關(guān)系式，實現(xiàn)界面結(jié)構(gòu)與斷裂性能的定量分析。 (6)基于(5)的結(jié)論，嘗試建立界面剪切強度與斷口輪廓分維值及其多重分形譜關(guān)系。結(jié)果表明焊接界面剪切強度在數(shù)值上與分維值及多重分形譜呈正相關(guān)。 本項目成功建立了爆炸焊接波狀界面形貌定量表征方法，導出了界面分維值與對應(yīng)結(jié)合能關(guān)系式，從而實現(xiàn)焊接界面形貌結(jié)構(gòu)及對應(yīng)失效行為量化分析，為焊接界面性能定量評價指供理論指導。按照預期計劃完成了項目研究。