Cu金属陶瓷与金属的磷酸盐黏接特性

第4 1 卷第 6 期 2 0 1 0年 1 2月  中南大学学报( 自然科学版)  J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y( S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y )  、 b1 4 l NO 6  De C 2 O】 O  Ni F e 2 O 4 C u金属陶瓷与金属的磷酸盐黏接特性 张雷 ，陈孜，李志友，周科朝，李超 ( 中南大学 粉末冶金 国家重点实验室，湖南 长沙，4 1 0 0 8 3 )  摘要：采用磷酸锅铬为胶黏剂，Ni F e 2 O 4 陶瓷粉与 C u Ag合金粉为填充料，C u O为 固化剂 ，对 Ni F e 2 O 4 C u金属 陶瓷与 4 5 钢 的黏接特 性进行研 究。通过测试 黏接接头 强度 、分 析黏接 界面和 黏接层 的显微 结构和物相组成等研 究胶黏剂浓 度和 处理T艺对黏接接 头室温和 高温黏接性 能的影 响。实验 结果表 明，于 1 2 0固化和 1 0 0 0热处 理后的黏接 界面 结合紧密，于 1 2 0同化后 的室温拉 剪强度达 5 3 8 8 MP a ，于 1 0 0 0热处理后 的室温拉剪强度 为 2 5 4 3 MP a ；7 0 0时试样 拉剪强度达 2 9 2 5 MP a ，8 0 0时接头的拉剪强度降为 6 5 4 MP a ；胶黏剂的软化及熔 化 是导致 8 0 0时接头高温黏接强度降低的一个主要原 因，同时，高温下磷酸盐分解物 的挥发及其物相反应导致 黏接层疏松 、多孔 。  关键词 ：磷酸铝铬胶黏剂 ；黏接强度 ；黏接界面 ；黏接层 中图分类号 ：T G4 9 6 文献标志码 ：A 文章编号：1 6 7 2 7 2 0 7 ( 2 0 1 0 ) 0 6 2 1 4 9 0 7  Ph o s ph a t e b o n d i ng c h a r a c t e r i s t i c o f Ni Fe 2 04 Cu c e r m e t a n d me t a l  ZHANG Le i ， CHE N Zi ， LI Zhi - yo u， ZHOU Ke c h a o ， LI Ch a o  ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f P o wd e r Me t a l l u r g y , C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a )  Ab s t r a c t ：An a d h e s i v e b o n d i n g t e c h n o l o g y o f Ni F e 2 04 Cu c e r me t a n d 4 5 # s t e e l wa s i n v e s t i g a t e d u s i n g a l u mi n u m c h r o mi u m p h o s p h a t e a s b i n d e r , Cu O a s c u r i n g a g e n t s a n d Ni F e 2 04 c e r a mi c p o wd e r a n d Cu Ag p o wd e r a s fi l l e r s S t r e n g t h  o f b o n d e d j o i n t ， mi c r o s t r u c t u r e o f b o n d i n g i n t e r f a c e a n d p h a s e c o mp o s i t i o n o f t h e a d h e s i v e l a y e r s w e r e c h a r a c t e r i z e d Th e e f f e c t s o f b i n d e r s a n d p r o c e s s O i l r o o m t e mp e r a t u r e a n d h i g h t e mp e r a t u r e b o n d i n g p e r f o r ma n c e we r e s t u d i e d T h e  r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n s i s t e n c e o f b i n d e r s a n d t r e a t m e n t t e c h n o l o g i e s a r e c r i t i c a l t o a d h e s i o n p e r f o r m a n c e o f b o n d e d  j o i n t a t r o o m t e mp e r a t u r e a n d h i g h t e mp e r a t u r e B o n d i n g i n t e r f a c e c o mb i n e s c l o s e l y a ft e r c u r i n g a t 1 2 0 a n d h e a t  t r e a t me n t a t 1 0 0 0 Aft e r c u r i n g a t 1 2 0 t h e r o o m t e mp e r a t u r e t e n s i l e s h e a r i n g s t r e n g t h i s 5 3 8 8 MPa T e n s i l e  s h e a r i n g s t r e n g t h s o f b o n d e d j o i n t a r e 2 5 ， 4 3 MP a a f t e r h e a t t r e a t me n t a t 1 0 0 0， 2 9 2 5 MP a a t 7 0 0 a n d 6 5 4 MP a a t  8 0 0 r e s p e c t i v e l y S o ft e n i n g a n d me l t i n g o f b i n d e r s b e h a v i o r a t 8 0 0 i s r e s p o n s i b l e f o r t h e d e c r e a s e i n s t r e n g t h o f  b o n d e d j o i n t V o l a t i l e o f d e c o mp o s i t i o n p r o d u c t s a n d p h a s e r e a c t i o n a l s o c a u s e p o r o u s a d h e s i v e l a y e r w h i c h we a k e n s t h e  s t r e n gt h Ke y wo r d s ： a l u mi n i u m c h r o mi u m p h o s p h a t e b i n d e r ； b o n d i n g s t r e n g t h ； b o n d i n g i n t e r f a c e ； a d h e s i v e l a y e r  陶瓷与金属的连接是工程应用需要解决的关键技 术之一。陶瓷材料与金属间的物相性能差异、两者问 较差 的界面润湿性 ，使得采用铆接、螺接 、焊接等传 统连接方式均难实现有效可靠连接 卜 。 现代黏接工艺 是 一项新 工艺、新技术 ，它 能部分代替焊接 、铆接和 螺接工 艺，将金属和陶瓷材料牢 固地连接在 一起 ，并 收稿 日期：2 0 1 0 0 1 0 6 ：修回日期：2 0 1 0 0 4 1 5  基金项 目：国家高技术研究发展计划项 目( 2 ( ) 0 8 AA O 3 O 5 O 1 ) ；闺家重点基础研究发展规划资助项日( 2 0 0 5 C B 6 2 3 7 0 3 )  通信作者：张雷( 1 9 7 5) ，男，辽 锦州人，I尊上，从事粉末冶金先进陶瓷材料研究；电话：0 7 3 1 8 8 8 3 6 2 6 4 ；E - ma i l ： z h a n g le i m a i l C S U e d u c n  2 1 5 4 中 南 夫 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 4 1 卷  晶界或晶内缺陷处析出【 ，因而出现了 A g以点状、  条状分布的状态。  表 2 A E区域的 能谱分析结果 Ta bl e 2 Re s ul t s o f e ne r g y s pe c t r u m a n a l ys i s of A E r e gi on s   上述 分析 结果表 明：在采用磷酸铝铬胶黏剂黏接 连接金属陶瓷时，黏接层 中的黏结剂及金属相 向金属 陶瓷一侧 发生了较为 明显 的扩散 ，扩散现象 的发生在 改善两者 界面结合状态 的同时 ，也对提高界面 的结合 强度起到一定 的促进作用；另一方面，于 1 0 0 0热 处理后，黏接层 因磷 酸盐分解 物的挥发及其与 F e ， 0  的反应导致黏接性能下降，同时产牛的大尺 l 孑 L 隙导 致 黏接层疏松多孔 ，黏接强度降低。  3 结论 ( 1 )连接结构 的黏接 强度随胶黏剂浓 度的增人 而 提高 ，用含水量为 1 5 的磷酸铝铬胶 黏剂黏接金属陶 瓷与金属 时 ，于 1 2 0 固化后 的室温拉剪 强度 可达 5 3 8 8 MP a ，于 1 0 0 0 热处理后 的室温拉剪强度达 2 5 4 3 MPa 。  ( 2 )C u O 与磷酸盐胶黏剂反应产物 的软化及熔化 是导致 8 0 0 以后试样拉剪 强度 降低 的一个主 要原 因 。同时，高温 下磷酸盐分解物的挥发及其与 F e ， O  反应 导致黏接性 能下 降，产生 的大尺寸孔隙也对黏接 强度产生一定的负面影响。  ( 3 )金属 陶瓷基 体与黏接层界 面结合紧密 ，过渡 层平滑 。在高温下 ，黏接层中的黏结剂及金属组元 向  金属 陶瓷一侧 的扩散现象 ，该现象对金属陶瓷基 体与 黏接层界面结合 强度 的提 高起到 了促进作用 。  参考文献：   1 李卓然，樊建新，冯吉才 ，等氧化 铝陶瓷与金属连接的研究 现状 J 1 l宇航材料工艺， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 6 - 1 0 L I Z h u o r a n ， F AN J i a n x i n ， F E NG J i c a i P r o g r e s s i n j o i n i n g o f  a l u mi n a c e r a mi c s t o me t a l J A e r o s p a c e Ma t e r i a l &T e c h n o l o g y , 2 0 0 8 ( 4 ) ： 6 一l 0 2 V e g t e r R H， d e n Ou d e n G D i f f u s i o n b o n d i n g o f z i r c o n i u m t o  s i l i c o n n i t r i d e u s i n g n i c k e l i n t e r l a y e r J J o u rna l o f Ma t e r i a l S c i e n c e ， 1 9 9 8 ， 3 3 ( 1 8 ) ： 4 5 2 5 4 5 3 0 3 I s e k i Ka me d a Ma r a y a ma I n t e r f a c i a l r e a c t i o n b e t w e e n  S i C a n d a l u mi n u m d u r i n g j o i n i n g J J o u r n a l o f S c i e n c e ，l 9 8 4 ， 1 9 f l 1 ： 6 9 2 6 98 4 世凯，屈玲玲，王静，等 工程陶瓷材料及其与金属连接工 艺的研究进展 J - 陶瓷， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 9 -1 2 X I NG S h i k a i ，Q U L i n g l i n g ， WANG J i n g ，e t a 1 E n g i n e e r i n g  c e r a mi c ma t e r i a l s a n d c e r a mi c me t a l b o n d i n g t e c h n o l o g y J C e r a mi c s ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 9 -1 2 5 T r e h e u x D， L o u r d i n P ， Mb o n g o B， e t a 1 Me t a l - c e r a mi c s o l i d  s t a t e b o n d i n g ： Me c h a n i s ms a n d me c h a n i c s J S c r i p t a  Me t a l l u r g i c a l a t Ma t e r i a l i a ， 1 9 9 4 ， 3 l ( 8 ) ： 1 0 5 5 1 0 6 0 6 熊腊森 黏接技术 问答 M】 北京：机械工业出版社， 2 0 0 5 ： 1 0 XI o NG L a s e n Qu e s t i o n a n d a n s we r o f a d h e s i o n  t e c h n o l o g y M Be i j i n g ： Me c h a n i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 5 ： 1 0 7 杨伟群，李树杰陶瓷一 金属的连接工艺 J 航 空工程与维修， 1 9 9 8 ( 1 1 ： 1 7 1 9 Y ANG We i q u n ， L I S h u - j i e J o i n i n g t e c h n o l o g y f o r c e r a mi c a n d  me t a l J A v i a t i o n E n g i n e e r i n g& Ma i n t e n a n c e 1 9 9 8 ( 1 ) ： 1 7 1 9 8 刘 忐甫，徐 晓伟， 玉萍，等，用无机 胶黏接 金属和 陶瓷 北京科技大学学报， 1 9 9 9 ， 2 l ( 5 ) ： 4 7 6 4 7 8 LI U Zh i p u ，XU Xi a o we i ，LI Yu p i n g ，e t a 1 J oini n g m e t a l s t o  c e r a mi c s wi t h in o r g a n i c a d h e s i v e b o n d i n g J J o u rna l o f  Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ，1 9 9 9 ，2 l ( 5 ) ： 4 7 6 - 47 8 9 郑举功 ，陈泉水 ，杨婷，等氧化 铜 磷酸盐无 机胶黏剂 的制 备工艺研究 J J 东华理工学院学报， 2 0 0 6 ， 2 9 ( 1 ) ： 8 4 8 7 Z HE NG J u g o n g ， C HE N Qu a n s h u i ， Y ANG T i n g ， e t a 1 S t u d y o n  t h e p r e p a r a t i o n t e c h n i c s o f c o p p e r o x i d e p h o s p h a t e i n o r g a n i c  a d h e s i v e J J o u rna l o f E a s t C h i n a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , 2 0 0 6 ，  2 9 ( 1 、 ： 8 4 8 7 1 0 李冰 ，王超，陈泽明，等中温 固化磷酸盐基耐高温胶黏剂 的 研 制 J 1 化学与黏合， 2 0 0 8 ， 3 O ( 3 ) ： 1 5 - 1 6 L1 Bi n g ， W ANG Ch a o ， CHE N Ze - rui n g ， e t a 1 S tu d y o n  p r e p a r i n g h i g h t e mp e r a t u r e r e s i s t a n t p h os p ha t e a d h e s i v e c u r e d a t  mo d e r a t e t e mp e r a t u r e J C h e mi s t r y a n d A d h e s i o n ， 2 0 0 8 ， 3 O ( 3 ) ： 1 5 一】 6 1 1 GAO Ha i ， L I U J i a c h e n ， DU Ha i - y a n ， e t a 1 E f f e c t s o f a d h e s i v e  c o m p o s i t i o n o n b o n d s t r e n g t h o f g r e e n j o i n e d C e P O4 一 Z r O2  c e r a mi c s J S c r i p t a Ma t e r i a l i a ， 2 0 0 3 ， 4 9 ( 6 ) ： 5 l 2 - 5 2 0 1 2 F 日 永奎，张星，彭 有根，等用于金 属一 陶瓷黏接 的无机导 电 胶 J 华北工学院学报， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 1 ) ： 6 2 6 3 TI AN Yo n g g u i ， ZHANG Xi n g ， PENG Yo u g e n Th e ino r g a ni c  e l e c t r i c a l c o n d u c t i v e s t i c k e r for g l u in g me t a l c e r a mi c s J 第 6期 张雷，等：Ni F e 2 O 4 C u金属陶瓷 与金属的磷酸赫黏接特性 2 1 5 5  J o u r n a l o f No r t h C h i n a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,1 9 9 8 ，1 9 ( 1 ) ： 6 2 -6 3 1 3 韩敏，陶文亮 ，艾浩，等 a A 1 z O， 陶瓷膜管与金属黏接强度的 实验研 究 J 黏接， 2 0 Q 7 ， 2 8 ( 4 ) ： 3 2 3 5 HAN M i n，T AO We n - l i a ng ，At Ha o ，e t a 1 S tud y o n b o n d i n g  s t r e n g t h o f c I - Al 2 03 c e r a mi c me mb r a n e t u b e t o 2 0 #s t e e l J Ad h e s i o n i n C h i n a ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 4 ) ： 3 2 3 5 1 4 韩敏，陶文亮，田星，等 d A1 z O 陶瓷膜管与金属黏接试样机 械特 性 及显 微结 构 的实验 研 究 J J _材 料 导报，2 0 0 8 ，2 2 ( 8 ) ： 1 4 6 -】 4 9 HAN M i n ，T AO W e n l i a n g， TI AN Xi n g ，e t a 1 I n v e s t i g a t i o n o n  me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c a n d mi c r o s t r a c t u r e o f 0 【 一 AI 2 03 c e r a mi c  me mb r a n e t u b e a n d me t a l b o n d in g s a mp l e s J Ma t e r i a l s R e v i e w, 2 0 0 8 ， 2 2 ( 8 ) ： 1 4 6 1 4 9 1 5 张雷 铝 电解用 Ni F e O4 M 金属陶瓷惰 性阳极材料制备与性 能研 究 D 长沙：中南大 学粉末冶金国家重点实验室，2 0 0 6 ： 1 4 -1 7 ZHANG Le i Th e p r e pa r a t i o n a n d p r o pe rti e s o f Ni Fe 2 04 M  b a s e d c e r me t i n e r t a n o d e f o r p r i ma r y a l u mi n u m s me l t i n g D Ch a n g s h a ：Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y S t a t e Ke y La bo r a t o r y o f  Po wd e r M e t a l l u r g y , 2 0 0 6： 1 4 1 7 1 6 张雷，周科朝，李 志友，等铝电解陶瓷基惰性阳极与金属导 杆 连 接 结 构 及 其 制 备 方 法 ：中 国 ，2 0 0 8 1 0 0 3 1 8 7 1 4 P 2 O O 8 一 O 7 24 Z HANG L e i ， ZHOU Ke c h a o ， LI Zh i - y o u， e t a 1 The p r e pa r a t i o n  m e t h o d a n d c o n n e c t i n g s t r u c tu r e o f c e r a mi c b a s e d i n e rt a n o d e s  i n a l u mi n u m t o me t a l g u i d e r o d ：C h i n a ，2 0 0 8 1 0 0 3 I 8 7 1 4 P 2 0 08 0 7 2 4   1 7 F i n c h L S h a r p J H C h e mi c a l r e a c t i o n s b e t w e e n ma g n e s i u m a n d  a l u mi n u m o r t h o p h os p ha t e t o fo r m ma g ne s i a - p ho s p ha t e  c e me n t s J J o u r n a l Ma t e ri a l S c i e n c e ， 1 9 8 9 ， 2 4 ： 4 3 7 9 4 3 8 6 1 8 Wa g h A S ， J e o n g S Y Ch e mi c a l l y b o n d e d p h o s p h a t e c e r a mi c s ： I ， A d i s s o l u t i o n mo d e l o f f o rm a t i o n J J o u rna l o f t h e Ame r i c a n  C e r a mi c S o c i e t y , 2 0 0 3 ， 8 6 ( 1 1 ) ： 1 8 3 8 1 8 4 4 1 9 张玉龙，李长德 金属 用胶 黏剂 M】 北 京： 国石化 出版社， 2 0 0 4： 3 9 0 Z HA