氧化铝等先进陶瓷材料固有的硬脆性及低冲击韧性使其难以通过传统机械加工制备复杂形状或大尺寸部件。注浆成型等湿法成型是制备大尺寸或复杂外形陶瓷体的常用方法，但此类方法生产效率较低、烧成收缩大且试件易变性，而采用铆接或者螺栓连接都会导致应力集中，且增加了构件的质量。通过合适有效的陶瓷连接技术，可以实现低成本制备复杂形状的陶瓷构件，同时可用于破损陶瓷的修复。因此，研究开发氧化铝陶瓷的连接剂和连接技术具有很高的工程应用价值。

用于氧化铝陶瓷材料的连接技术可分为两类：（一）烧结体之间的连接。其常用的方法有：固相扩散连接法、钎焊连接（活性金属法、玻璃连接法）、过渡液相连接、微波辅助连接、有机高温粘接剂等；（二）、素坯之间的连接。在传统陶瓷工艺中，利用粘土的塑性可以连接素坯，例如茶杯的手柄和杯体的连接。但是，先进陶瓷材料都显脊性，不能像粘土素坯那样直接连接，目前比较普遍的工艺是借助均匀稳定的陶瓷浆料作为粘结剂将坯体连接在一起，最后再烧结。

一、烧结体之间的连接

1、固相扩散连接法

固相扩散连接法以元素在接合面上的原子扩散为基础，其基本过程是在一定的温度和压力条件下，利用母材的塑性变形，使两表面紧密接触，便于原子的吸引和扩散形成冶金结合，促使陶瓷材料接合在一起。

固相扩散连接的原理（来源：WELCONInc）

固相扩散连接最初用于连接异种材料，目前也是连接陶瓷材料的最常用方法之一，可以直接连接或使用中间层进行连接。1986年若井博和他的合作者川首次清楚地显示了结构陶瓷材料在高温拉伸时的微晶超塑性行为。随后，人们相继发现3Y-TZP/Al₂O₃复相陶瓷，Al₂O₃，SiC，Si₃N₄，ZnS尖晶石以及莫来石等陶瓷材料也具有不同程度的超塑性，因此，陶瓷扩散连接的研究将对陶瓷结构的精密制造产生深远影响。

直接连接的固相扩散焊的主要优点在于连接强度高，接头高温性能和耐腐蚀性能好。不足之处在于扩散温度高、时间长、试件尺寸和形状受到限制，特别是扩散焊对母材的表面状态要求严格，而且在连接过程中需要施加非常高的温度和压力，对夹具耐高温性能和加热冷却方法都提出了相当高的要求。

2、钎焊连接

钎焊连接是一种将低于焊件熔点钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使材料连接的方法。钎焊技术方便高效，但钎焊接头通常强度较低，耐热能力较差。陶瓷的钎焊连接与金属钎焊技术相似，一般选择熔融温度低、润湿氧化铝表面的连接剂，通过一定条件的热处理实现材料连接。

钎焊过程示意图：a)放置钎料，并对钎料和母材加热。b)钎料熔化，并开始流入接头间隙。c)钎料填满间隙，凝固后形成钎焊接头。来源：广州先艺电子科技

①金属钎焊--间接钎焊、活性钎焊

陶瓷材料主要含有离子键或共价键，表现出非常稳定的电子配位，因此较难被具有金属键的金属钎料润湿。用金属钎料钎焊陶瓷材料时：要么对陶瓷表面进行预金属化而使陶瓷表面的性质改变再用普通钎料进行钎焊（两步法，间接钎焊）；要么是在钎料中加入较少的活性元素（通常为过渡族元素如Ti、Zr），使钎料与陶瓷之间有化学反应发生，陶瓷表面通过反应分解形成新相，产生化学吸附机制（直接钎焊）。

②氧化物钎焊（玻璃连接法）

氧化物钎焊（玻璃连接法）的原理是利用氧化物钎料熔化后形成玻璃体系，向陶瓷渗透并润湿陶瓷表面而实现可靠连接，使用氧化物对陶瓷进行连接，可通过改变焊料中各氧化物的组成，实现对热膨胀系数、熔融温度、玻璃化转变温度等参数的控制从而使其更加契合母材的性质和陶瓷构件的服役条件。下表是微晶玻璃钎料连接Al₂O₃陶瓷常见的的微晶相，高温氧化物焊料一般指陶瓷的连接温度为1000℃以上的焊料，低温氧化物焊料指适用于在1000℃以下进行陶瓷连接的焊料。

3、过渡液相连接

过渡液相连接（Transient Liquid Phase Bonding，TLPB），也称瞬间液相连接，其原理是在母材间加入中间层，在低于母材熔点的温度下进行保温，利用中间层的自身熔化或与母材发生共晶反应在连接界面上形成一定数量的液相，同时由于液相的作用使扩散加速，液相中降低熔点的元素迅速向基体扩散，使得结合界面化学成分明显改变，相平衡中的液相减少，导致在一定温度下保温一段时间结合界面实现等温凝固。经过等温凝固、固相成分均匀化，最后得到与母材化学成分和组织均匀一致的接头并获得连续的接合面组织。TLPB的优点是在较低温度和较低连接压力下形成接头，可以群免母材组织性能的不利变化和试件的变形。

严格来说，陶瓷材料的过渡液相连接应称为局部过渡液相连接（PTLPB，Partial Transient Liquid Phase Bonding），是一种能在较低的连接温度下获得具备耐高温性能接头的方法。它是从传统TLPB发展而来的，因为陶瓷材料的特殊性，使得传统TLPB在陶瓷连接中的应用需要一定的调整。由于陶瓷中的扩散困难，在连接陶瓷时低熔点物质的消耗很难靠陶瓷来进行，一般都用多层复合中间层来实现。

以SrO-Al₂O₃为焊料对氧化铝进行过渡液相连接

在专利文件中“CN114315401B一种氧化铝陶瓷的瞬间液相连接方法”中，发明人以SrO-Al₂O₃混合物作（SrO为65-69％Al₂O₃为31-35％）为焊料，利用焊料中SrO组元向氧化铝陶瓷中扩散，改变焊料成分，进而实现焊料等温凝固的瞬间液相连接方法。通过XRD分析证明了扩散层含有少量的Sr元素，焊缝中形成的晶体为SrAl₂O₄晶体，SrAl₂O₄属于尖晶石相，其热膨胀系数为7.5-8×10^-6/℃，与氧化铝陶瓷的热膨胀系数(8-8.5×10^-6/℃)十分接近，熔点高达1960℃，因而接头强度高，接头耐高温性好。

接头微观结构

4、微波辅助连接

微波连接是近年来兴起的一种陶瓷连接技术，是指采用微波辐射来代替传统的热源，连接中间相或连接体通过对微波能量的吸收或耗散达到一定的高温，从而在界面处形成液相或者通过界面处的物质扩散而实现的陶瓷/陶瓷或陶瓷/金属之间的连接。陶瓷微波连接与其它陶瓷连接工艺相比，具有耗时短、节约能源、成本低、选择性局部加热等特点，因而获得了较快的发展，并已取得很多研究成果。

微波与不同材料的相互作用取决于材料的电磁特性以及晶粒尺寸和孔隙率。依据这些特性，材料可以分为微波透明体（无能量转移，低介质损耗料）、微波反射体（不能穿透到材料内部，导体）和微波吸收体（存在能量的吸收和交换，高介质损耗材料）。因此，在用微波加热该类材料时，需要利用辅助加热，使温度升高到临界值；或在室温微波透明陶瓷中加入室温高介质损耗的微波吸收第二相，增强整体与微波的相互作用，实现微波混合加热。这种混合加热使温度场分布更加均匀，从而实现材料整个截面的均匀加热，材料整体密度均匀^【6】。

氧化铝、氧化镁、二氧化硅和玻璃等材料，在室温下对微波是透明的，当加热到临界温度Tc以上时，它们开始吸收微波，并逐步与微波辐射发生更有效的耦合。因此，在用微波加热该类材料时，需要利用辅助加热，使温度升高到临界值；或在室温微波透明陶瓷中加入室温高介质损耗的微波吸收第二相，增强整体与微波的相互作用，实现微波混合加热。这种混合加热使温度场分布更加均匀，从而实现材料整个截面的均匀加热，材料整体密度均匀。由于这种均匀加热获得微观结构更均匀的材料，最终可以提高材料的性能

微波辅助连接示意图

专利文件“CN101269988A氧化铝陶瓷的粘结方法”提出了一种工艺简单且效果显著的氧化铝陶瓷粘接技术。该法以SiC 22～28wt％，Al₂O₃ 72～78wt％，球磨过筛后添加外加磷酸二氢铝9.5～10.5wt％，制成膏状作为中间粘接相，并在微波辅助下进行加热，能够在短时间内实现高效粘接。其独特之处在于利用碳化硅的微波吸收特性，在被粘接区域局部产生高温，使得粘结界面加热均匀且迅速。通过扫描电镜观察，粘接界面结合紧密，未发现气孔、裂纹等缺陷，证明了该方法在提升接头强度和耐热性方面的优势。

5、有机高温粘接剂

有机高温粘结剂具有工艺简单、效率高和成型性能好的特点，接头耐酸碱、稳定性好、粘接强度高，所以其在高温粘结剂领域的应用与开发备受瞩目。但作为有机高分子材料，其在高温热处理过程中的裂解与反应不可避免。高分子材料在高温热处理过程中，会裂解产生气体小分子，同时粘结层会产生裂纹和空隙，导致粘结强度太低，达不到粘结要求。为了愈合裂缝与孔隙，要在粘结剂中加入填料，通过裂解产生的小分子在空气中和填料的反应，来愈合这些缺陷，从而使粘结层致密完整，提高粘结强度。但这种解决方法仅适用于粘结面积小，空气能够进入粘结层内部，使粘结层完全氧化。但是当粘结面积大时，由于粘结层靠近空气部分会优先氧化，而在有限时间内足够的空气无法进入粘结层最中央位置，导致外层氧化后形成致密化的阻挡层，空气无法继续进入，粘结层中央位置不能充分氧化，使得粘结层外部致密，内部有缺陷，粘结强度不能满足要求。

在专利“CN105273683A有机高温粘结剂及提高陶瓷材料有机高温粘结性能的方法”中介绍了一种创新的有机高温粘结剂，其利用含氧高分子提高粘结层的致密性，解决了大面积粘结时氧化不均匀的问题。发明者以聚硅硼氮烷PSNB或聚硼硅氮烷PBSZ为粘结剂，以环氧树脂或聚硅氧烷PSO为含氧添加剂，用于氧化铝陶瓷的粘接，在高温下具有高的粘结强度，对于大面积粘结可以达到理想效果。

二、素坯之间的连接

相对于烧结体之间的连接技术，素坯之间的连接技术显著提高了连接处的强度和可靠性，且成本低，工艺简便。不过，利用陶瓷浆料作为粘结剂的连接技术对浆料的依赖性高，浆料不仅需要有优良的浸润性，还需要有一定的粘结能力。此外，由于毛细管力的作用，浆料中的水分会浸入所连接的素坯内，导致连接处形成一层颗粒堆积更紧密的中间层，即在两个连接面之间形成一层致密的中间层，影响了连接体显微结构的均匀性。

在专利文件“CN104387036B一种陶瓷坯体的连接方法”中介绍了一种更加有效的坯体连接方法。该法利用陶瓷凝胶（采用水溶性顺丁烯凝胶体系所制备的陶瓷凝胶）自身的塑性和粘黏性来进行的陶瓷连接，无需在连接处添加任何粘结剂或施加压力，具有连接处显微结构均匀，连接体烧结后强度高、工艺简单等优点，尤其适用于连接制备复杂或大尺寸的陶瓷材料。可用于氧化铝/氧化铝，氧化锆/氧化锆，碳化硅/碳化硅，氮化硅/氮化硅，氧化铝/碳化硅等连接体的制备。

参考资料：

1、CN104387036B一种陶瓷坯体的连接方法

2、US10244614B2陶瓷和蓝宝石等离子弧焊接的系统、方法和装置

3、刘岩，张珂颖，李天宇，等.陶瓷材料电场辅助连接技术研究现状及发展趋势[J].无机材料学报，2023

4、连接结构分析，游敏，郑小玲编著

5、CN114315401B一种氧化铝陶瓷的瞬间液相连接方法

6、陈勇强,王怡雪,张帆,等.微波加热制备特种陶瓷材料研究进展[J].无机材料学报,2022,37(08)

7、CN105273683A有机高温粘结剂及提高陶瓷材料有机高温粘结性能的方法

8、CN101269988A氧化铝陶瓷的粘结方法

编辑整理：粉体圈Alpha