摘 要

氧化锆陶瓷材料由于具有硬度高，强度高，耐高温，密度小，耐腐蚀和抗氧化等优良的物理和力学性能，目前已被广泛应用到电子封装等大部分领域。但如何获得强度等性能方面优良的焊缝是陶瓷材料连接的关键所在。陶瓷材料的连接可以采用粉末烧结，活性钎焊，超声波钎焊等方法。其中超声波钎焊由于超声波在液态钎料中产生的空化效应可以有效地去除母材表面的氧化膜，更容易得到光洁的表面和均匀地组织。

所以本课题利用超声波钎焊的方法，以泡沫镍增强的锡基焊料为中间层，采用0.2mm,0.4mm,0.6mm三种不同的中间层厚度对氧化锆进行连接，通过对焊缝进行金相显微观察和剪切强度测试，探究最佳的工艺参数从而得到性能优良的接头，并对钎料及断面层进行分析讨论，找出问题并提出建议。结果表明，采用中间层厚度为0.4mm的接头所能承受的剪切强度较大，且其金相组织缺陷较少，焊缝显微图片较美观，而中间层厚度为0.2mm和0.6mm的接头力学性能较差，钎料处形成少量Ni-Sn化合物作为增强相增加了焊缝的强度。但断口处都为镀层断裂，由于金属与陶瓷热膨胀系数不同而引起的应力集中造成。

关键词：氧化锆，超声波钎焊，镍锡钎料，显微结构，力学性能

Abstract

Zirconia ceramic materials with high hardness,high strength,high temperature resistant,small density,corrosion resistance and oxidation resistance and other excellent physical and mechanical performance,it has been widely applied to electronic packaging areas.But how to get excellent weld such as strength is the key to ceramic material connection.

The connection of ceramic material can use these method such as powder sintering,reactive brazing,the ultrasonic brazing and so on.Beacause the ultrasonic brazing can produce cavitation effect of ultrasound in liquid solder,it would effectively remove the oxide film on the surface of the parent metal.It is easier to get a smooth surface and uniform organize.

So this topic use the method of ultrasonic soldering,using the nickel foam enhanced tin-based solder as the interlayer,0.2 mm,0.4 mm,0.6 mm three different thickness of middle layer to connect the zircon.Through the study of the metallographic micro-structure observation and shear strength of weld testing,to explore how to obtain the best technological parameters and good performance of joint.Discussing the solder and the section layer to find out problems and put forward suggestions.

The results show that using the middle layer thickness of 0.4 mm can withstand the larger shear strength of joint.The micro-structure defects is less,weld micro-structure pictures more beautiful.And the middle layer thickness of 0.2 mm and 0.6 mm connector poor mechanical properties,Ni - Sn compound as solder in enhancing phase increased the strength of the weld.But the fracture place was clad layer,due to the different thermal expansion coefficient of metal and ceramic cause the stress concentration.

Key Words:Zircon,ultrasonic brazing,Nickel and tin solder,microstructure,mechanical properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

1 绪论 1

1.1 课题研究的目的及意义 1

1.2 氧化锆的焊接性 2

1.3陶瓷连接的研究现状 3

1.3.1超声波辅助焊接 3

1.3.2 粉末烧结 4

1.3.3 活性钎焊 5

1.4 本课题主要研究内容 6

2 实验材料与工艺 7

2.1实验材料及仪器 7

2.1.1实验材料 7

2.1.2 实验设备 8

2.2 实验过程 9

2.2.1 焊前准备 9

2.2.2 焊接过程 9

2.2.3 金相试样的制备 10

2.2.4 显微组织的观察 11

3 结果与讨论 12

3.1 焊缝成形及宏观结构特征 12

3.2 焊缝微观金相分析 12

3.3 焊缝力学性能测试分析 16

4 实验总结与展望 19

4.1 实验结论 19

4.2 研究展望 19

参考文献 20

致 谢 21

1 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

近年来，科技发展迅速，对材料的要求也越来越苛刻，尤其在工作条件比较特殊的情况下，就需要性能更优良的材料来保证器件的可靠性，在这种情况下我们就需要将目光更多的放在陶瓷类材料上面。1975年以来，陶瓷材料越来越受到许多国家的关注，80年代的“陶瓷热”就是以氧化锆为主体 ^[1]。陶瓷类材料具有硬度高，强度高，耐高温，密度小，耐腐蚀和抗氧化等优点，近年来已被广泛应用在拉丝模材料，机械加工刀具，氧传感器和材料电池等材料领域^[2]，学术界也开始对氧化锆陶瓷有更多方面的研究。通过对陶瓷材料进行连接，得到性能优良的接头，充分发挥其优势，无论在商业产品中还是在学术界都是很大的进步。

但氧化锆的连接存在一些困难，如氧化锆的加工性能差，不能被加工成复杂零部件，且易碎，在焊接时使用的压力不能过大，低温下钎料合金在氧化锆表面较难润湿，焊接强度较低等缺点，所以获得性能较好的焊接接头相对较难，在一定的作用力下容易被破坏。