陶瓷-金属组件：应用、技术和进展
介绍
陶瓷-金属复合结构是一种混合结构，它结合了陶瓷的独特性能（例如高耐热性、电绝缘性和耐磨性）以及金属的机械强度、延展性和导电性。在高温、腐蚀性环境或机械应力等极端条件下，这些复合结构对可靠性能的要求极高，因此在相关行业中至关重要。
本文探讨了陶瓷与金属连接技术的制造方法、主要应用和最新进展。
陶瓷-金属组件的制造技术
由于陶瓷和金属的热膨胀系数和化学相容性存在差异，在二者之间建立牢固持久的连接极具挑战性。为了应对这些挑战，人们开发了多种连接方法：
1.钎焊
活性金属钎焊：使用填充金属（例如，Ag-Cu-Ti合金），这些金属与陶瓷表面发生化学反应，形成牢固的键。
高温钎焊：适用于对热稳定性要求较高的应用，例如航空航天部件。
2. 扩散焊接
该方法是在高温高压下将陶瓷和金属表面压合在一起，使原子在界面处发生扩散。
用于核反应堆和涡轮发动机等高性能应用。
3. 机械互锁
利用凹槽、螺纹或涂层来增强粘合力。
常见于医疗植入物和电子封装中。
4. 粘合剂粘接
对于要求不高的应用，可使用耐高温环氧树脂或玻璃基粘合剂。
常用于传感器和光电器件。
5. 增材制造（3D打印）
激光辅助沉积等新兴技术能够实现陶瓷和金属的直接粘合。
适用于航空航天和医疗领域定制化和复杂几何形状的应用前景广阔。
陶瓷-金属组件的关键应用
1. 航空航天与国防
火箭喷嘴、涡轮叶片和隔热罩需要能够承受极端温度并保持结构完整性的材料。
雷达和微波元件采用陶瓷金属密封件进行气密保护。
2. 电子与半导体行业
功率电子器件（IGBT 模块、LED 封装）依靠与铜结合的陶瓷基板（Al₂O₃、AlN）进行散热。
真空管和X射线管使用陶瓷金属密封件在高电压下保持电气绝缘。
3. 医疗器械
牙科植入物和骨假体将生物活性陶瓷（例如氧化锆）与钛合金结合，以提高生物相容性和耐用性。
心脏起搏器和手术器械使用密封的陶瓷金属密封件来保护敏感电子元件。
4. 汽车与能源
火花塞、氧传感器和排气系统采用氧化铝或氧化锆陶瓷，并将其连接到金属外壳上。
固体氧化物燃料电池（SOFC）依靠气密性陶瓷金属密封件实现高效的能量转换。
5. 工业及高温应用
炉体部件、热电偶护套和切削工具需要陶瓷-金属连接件以提高耐热性和耐磨性。
挑战与未来趋势
尽管陶瓷-金属组件具有诸多优势，但也面临挑战：
热膨胀系数不匹配会导致热循环过程中出现裂纹。
界面反应可能会随着时间的推移削弱键合强度。
高昂的制造成本限制了其广泛应用。
未来发展
纳米结构中间层可提高粘合强度。
用于优化接头设计的高级仿真工具。
用于定制化、高性能组件的混合增材制造。
结论
陶瓷-金属组件在现代工程中不可或缺，推动了航空航天、电子、医疗和能源等领域的突破性进展。连接技术和材料科学的持续进步将进一步拓展其应用范围，使其在下一代高性能系统中发挥更加关键的作用。
