PZT陶瓷低溫冶金焊接及其界面演化機(jī)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(dǎo)電性能差、易老化、耐碰撞沖擊性能差等缺點(diǎn)。以金屬合金材料作為釬料的冶金焊接具有很高的強(qiáng)度、優(yōu)異的穩(wěn)定性和良好的電導(dǎo)，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(wú)法應(yīng)用在PZT陶瓷堆的連接中。本項(xiàng)目提出采用熔點(diǎn)可變的低熔點(diǎn)合金釬料（熔點(diǎn)<100℃）作為中間層釬料，基于瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接的工藝原理，研究在<100℃的溫度下對(duì)PZT陶瓷進(jìn)行冶金焊接的工藝和機(jī)理。重點(diǎn)研究低溫焊接合金的成分及其熱力學(xué)分析設(shè)計(jì)方法；低熔點(diǎn)焊接合金對(duì)PZT陶瓷的濕潤(rùn)性能；焊接界面的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和界面組織的穩(wěn)定性。項(xiàng)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(wú)法低溫冶金焊接的難題，同時(shí)所獲得的連接接頭也會(huì)克服目前高分子粘接接頭的種種缺點(diǎn)，將為鐵電電源性能和可靠性的提升以及器件設(shè)計(jì)自由度的擴(kuò)大帶來(lái)巨大的推動(dòng)作用，具有重要的實(shí)際使用價(jià)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(dǎo)電性能差、易老化、耐碰撞沖擊性能差等缺點(diǎn)。以金屬合金材料作為釬料的冶金焊接具有很高的強(qiáng)度、優(yōu)異的穩(wěn)定性和良好的電導(dǎo)，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(wú)法應(yīng)用在PZT陶瓷堆的連接中。本項(xiàng)目提出采用熔點(diǎn)可變的低熔點(diǎn)合金釬料（熔點(diǎn)<100℃）作為中間層釬料，基于瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接的工藝原理，研究在<100℃的溫度下對(duì)PZT陶瓷進(jìn)行冶金焊接的工藝和機(jī)理。重點(diǎn)研究低溫焊接合金的成分及其熱力學(xué)分析設(shè)計(jì)方法；低熔點(diǎn)焊接合金對(duì)PZT陶瓷的濕潤(rùn)性能；焊接界面的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和界面組織的穩(wěn)定性。項(xiàng)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(wú)法低溫冶金焊接的難題，同時(shí)所獲得的連接接頭也會(huì)克服目前高分子粘接接頭的種種缺點(diǎn)，將為鐵電電源性能和可靠性的提升以及器件設(shè)計(jì)自由度的擴(kuò)大帶來(lái)巨大的推動(dòng)作用，具有重要的實(shí)際使用價(jià)值和理論意

運(yùn)用冶金學(xué)的焊接過(guò)程，促進(jìn)了焊接的發(fā)展；同時(shí)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(xué)冶金 焊接化學(xué)冶金反應(yīng)的特點(diǎn)是溫度高而時(shí)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(xué)冶金過(guò)程是分區(qū)域（或階段）連續(xù)進(jìn)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(diǎn)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(lái)，并進(jìn)行了定性分析，但尚未實(shí)現(xiàn)量化分析。據(jù)此，本項(xiàng)目以爆炸焊接界面為研究對(duì)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?jī)?nèi)容及對(duì)應(yīng)結(jié)果： (1) 基于爆炸焊接波狀界面形成的失穩(wěn)機(jī)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(zhǎng)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(dá)式。結(jié)果表明在金屬流體彈—粘性與失穩(wěn)機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)作用下，特定波長(zhǎng)范圍的擾動(dòng)能夠被優(yōu)先發(fā)展，其他波長(zhǎng)的擾動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論的正確性。 (2) 進(jìn)一步利用分形理論研究爆炸焊接界面形貌特征。運(yùn)用三維超景深顯微鏡獲得界面形貌圖像，通過(guò)Matlab圖像分析技術(shù)對(duì)界面形貌進(jìn)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(duì)(1)所闡述的爆炸焊接界面波的形成、發(fā)展與最終形貌開(kāi)展分維表征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)界面形貌的定量分析。 (4)利用(3)所形成的結(jié)論，對(duì)爆炸焊接界面形貌差異開(kāi)展定量化評(píng)價(jià)。運(yùn)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(shí)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(dǎo)出波狀焊接界面微觀結(jié)合面積計(jì)算式；結(jié)合內(nèi)聚力模型，闡述界面結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合性能影響的能量關(guān)系式，實(shí)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(qiáng)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(qiáng)度在數(shù)值上與分維值及多重分形譜呈正相關(guān)。 本項(xiàng)目成功建立了爆炸焊接波狀界面形貌定量表征方法，導(dǎo)出了界面分維值與對(duì)應(yīng)結(jié)合能關(guān)系式，從而實(shí)現(xiàn)焊接界面形貌結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)失效行為量化分析，為焊接界面性能定量評(píng)價(jià)指供理論指導(dǎo)。按照預(yù)期計(jì)劃完成了項(xiàng)目研究。