PZT陶瓷低温冶金焊接及其界面演化机理研究

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

运用冶金学的焊接过程，促进了焊接的发展；同时焊接冶金的发展也促使出现了新的冶金工艺──二次重熔。

焊接化学冶金 焊接化学冶金反应的特点是温度高而时间短促；相间反应界面的比表面积大；因此，反应极为激烈。焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续进行的；以手工电弧焊为例，可分为药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区（图1）。

早期的观点及近期发展出的结论逐步将爆炸焊接界面波存在的不规则性呈现出来，并进行了定性分析，但尚未实现量化分析。据此，本项目以爆炸焊接界面为研究对象，基于分形理论建立了焊接界面形貌定量分析方法。主要研究内容及对应结果： (1) 基于爆炸焊接波状界面形成的失稳机理与流体—弹塑性模型，在飞板反向射流与空气之间存在着R-T、K-H，甚至R-M不稳定性条件，因而提出失稳是发生在金属流体薄膜与空气之间。由界面波幅与波长之比判定线性理论成立，从而建立双层流体失稳线性控制方程，获得失稳发展特征指数表达式。结果表明在金属流体弹—粘性与失稳机制竞争作用下，特定波长范围的扰动能够被优先发展，其他波长的扰动被抑制或未能发展，从而使得波状界面在沿爆轰方向较为一致，实验结果也验证了这一结论的正确性。 (2) 进一步利用分形理论研究爆炸焊接界面形貌特征。运用三维超景深显微镜获得界面形貌图像，通过Matlab图像分析技术对界面形貌进行二值化处理，基于分形理论获得图像分维值以及多重分维谱，从而建立界面形貌定量表征方法。 (3) 基于(2)所建立的方法对(1)所阐述的爆炸焊接界面波的形成、发展与最终形貌开展分维表征，从而实现对界面形貌的定量分析。 (4)利用(3)所形成的结论，对爆炸焊接界面形貌差异开展定量化评价。运用三维超景深显微镜获得爆炸焊接界面形貌图像，结合冲量理论，定义中心区域与边侧区域分界线；最后基于分形理论实现焊接界面形貌差异定量描述。 (5)利用(4)所形成的结论，结合分维是熵的度量之物理意义建立界面结构熵，导出波状焊接界面微观结合面积计算式；结合内聚力模型，阐述界面结构对复合性能影响的能量关系式，实现界面结构与断裂性能的定量分析。 (6)基于(5)的结论，尝试建立界面剪切强度与断口轮廓分维值及其多重分形谱关系。结果表明焊接界面剪切强度在数值上与分维值及多重分形谱呈正相关。 本项目成功建立了爆炸焊接波状界面形貌定量表征方法，导出了界面分维值与对应结合能关系式，从而实现焊接界面形貌结构及对应失效行为量化分析，为焊接界面性能定量评价指供理论指导。按照预期计划完成了项目研究。