原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Qiu Y, Xu S, Zhang X, et al. Reactive air wetting and brazing of Al₂O₃ ceramics using Ag–Nb₂O₅ filler: Performance and interfacial behavior. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(2): 135-142.

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220857

ResearchGate: https://www.researchgate.net/publication/377667927_Reactive_air_wetting_and_brazing_of_Al2O3_ceramics_using_Ag-Nb2O5_filler_Performance_and_interfacial_behavior

1、导读

氧化铝（Al₂O₃）陶瓷在电子、航空、化工等领域有着广泛的应用，而高纯Al₂O₃陶瓷由于其高脆性和高硬度的特性，几乎不可能通过变形和直接加工来获得复杂的构件，因此通过空气反应钎焊（RAB）将简单形状的零件焊接为更复杂的结构是一种替代直接制造复杂的整体零件的有效方法。本文报道了一种新型的Ag-Nb₂O₅钎料，探究了钎料的可靠性和接头界面微结构，并借助第一性原理计算证实了其界面结构具有良好的可靠性。

2、研究背景

空气反应钎焊（RAB）是通常采用贵金属和金属氧化物为钎料，只需在马弗炉中就可实现，因此不仅工艺简便，而且制备的接头可在中高温有氧环境和腐蚀环境中长期服役，是一种连接陶瓷的行之有效方法。目前，用于Al₂O₃陶瓷的RAB钎料体系很少（暂只有Ag-CuO、Ag-Al和Ag-SiO₂体系），特别是制备的RAB接头要么在还原气氛中服役性能较差，要么接头强度较低，因此非常必要和迫切为Al₂O₃陶瓷寻找适合RAB钎料。

本研究利用Ag-Nb₂O₅钎料对Al₂O₃陶瓷进行RAB钎焊，研究钎料组成对其润湿性、接头剪切强度及断裂行为的影响，以及润湿偶和接头剖面结构随钎料组成的演变。最后，借助第一性原理计算证实了其界面结构具有良好的可靠性。

3、文章亮点

l 一种新型Ag-Nb₂O₅钎料对Al₂O₃陶瓷进行反应空气润湿和钎焊；

l 润湿性、接头剪切强度和相应微观结构的演变；

l Ag-Nb₂O₅/Al₂O₃系统界面模型的第一性原理计算。

4、研究结果及结论

空气中润湿实验证实Ag-Nb₂O₅/Al₂O₃体系的接触角随着Nb₂O₅含量从0.5%到12%（摩尔比）的增加，呈近线性地减小，即从71.6°降至32.5°（图1）。特别地，随着Nb₂O₅的增加，AgNbO₃（由Ag、Nb₂O₅和O₂在1060℃左右反应而成）在润湿偶界面依次呈现离散形态、不连续层、连续层，最终又变为不连续层，而在三相线附近的脊状结构则是持续长大，如图2所示。

图3展示了Al₂O₃/Ag-Nb₂O₅/Al₂O₃接头剖面随Nb₂O₅含量的演变，表明随着Nb₂O₅含量从0.5%增加到4%，接头界面处AgNbO₃层逐渐增厚，趋于连续；当Nb₂O₅含量继续增加到8%以上时，焊缝内形成大块AgNbO₃，且残留的Nb₂O₅显著增多，同时连续Ag层消失，特别是在AgNbO₃中产生了许多微裂纹，这直接导致了接头强度的下降。

图1 Ag-Nb₂O₅₅/Al₂O₃体系接触角随着Nb₂O₅含量的变化

图2 Ag-Nb₂O_5/Al₂O₃润湿偶剖面微结构及其三维模型随Nb₂O₅含量的演变过程：(a,e,i) Ag-1Nb₂O₅, (b,f,j) Ag-2Nb₂O₅, (c,g,k) Ag-4Nb₂O₅和(d,h,l) Ag-12Nb₂O₅

图3 Al₂O₃/Ag-Nb₂O₅/Al₂O₃接头剖面随Nb₂O₅含量的演变：(a) Ag-0.5Nb₂O₅，(b) Ag-1Nb₂O₅, (c) Ag-2Nb₂O₅, (d) Ag-4Nb₂O₅, (e) Ag-8Nb₂O₅和(f) Ag-12Nb₂O₅

 接头剪切试验结果表明：该接头平均剪切强度先升高后降低，且当Nb₂O₅含量为4%时，接头平均剪切强度达最大值，约为65MPa（图4a）。实际上，接头剪切强度的变化与界面/中间层微结构和断裂路径密切相关，如图4b‒f。如当Nb₂O₅含量为4%时，在焊缝内可形成连续的界面层和Ag层，剪切裂纹起源于靠近Al₂O₃陶瓷衬底一侧界面，横跨中间连续的Ag层，最后在另一侧靠近Al₂O₃陶瓷界面或陶瓷基体内断裂。 

图4 (a) Al₂O₃/Ag-Nb₂O₅/Al₂O₃接头平均抗剪强度随Nb₂O₅含量的变化；(b,c) Al₂O₃/Ag-4Nb₂O₅/Al₂O₃接头典型断口形貌; (d) Al₂O₃/Ag-(0.5‒2)Nb₂O₅/Al₂O₃, (e) Al₂O₃/Ag-4Nb₂O₅/Al₂O₃和(f) Al₂O₃/Ag-(8,12)Nb₂O₅/Al₂O₃接头断裂路径示意图

此外，通过第一性原理计算证实，Ag(111)/AgNbO₃(001)的附着功最高，其次是AgNbO₃(001)/Al₂O₃(100)界面，Ag(111)/Al₂O₃(110)界面的最低（表1），且在Ag/AgNbO₃/Al₂O₃结构界面有较大的电荷转移与成键（图5）。因此，可以从理论上解释Ag/AgNbO₃/Al₂O₃结构的断裂主要发生在AgNbO₃/Al₂O₃界面，这也说明了界面AgNbO₃的形成有利于较高可靠性的Al₂O₃ /Ag-Nb₂O₅/Al₂O₃接头。

表1 界面附着功和对应的界面距离(d)。

图5 (a) Ag(111)/Ag-O-Al₂O₃(110)-top、(b) Ag(111)/Ag-O-AgNbO₃(001)和(c) Ag-O-AgNbO₃(001)/Al₂O₃(100)界面在0.006 e/ų下的差分电荷密度(CDDs)示意图和相应的平均面电荷密度（黄色和蓝色区域分别表示电荷的积累和消耗） 

5、作者及研究团队简介

张相召（通讯作者），江苏大学材料学院副教授、硕士生导师，主要从事金属/陶瓷的高温润湿与焊接、第一性原理模拟计算等相关研究工作。目前在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Journal of Advanced Ceramics、Nano Energy、Journal of Materials Science & Technology、Journal of the European Ceramic Society等国内外知名期刊发表50余篇SCI论文。

刘桂武（通讯作者），江苏大学材料学院教授、博士生导师，2008年获得西安交通大学博士学位。入选教育部新世纪优秀人才支持计划、江苏省六大人才高峰高层次人才、江苏省双创团队核心成员等。 主要聚焦于陶瓷高温润湿与焊接、气敏材料和气体传感器，以及光-热-电转换材料及其器件研究。以第一作者或通信作者在Adv Funct Mater、ACS Nano、J Adv Ceram、Nano Energy、Chem Eng J、Sens Actuators B Chem、J Eur Ceram Soc、Appl Phys lett等国内外知名期刊发表200余篇SCI论文，他引5000余次；以第一发明人授权20余项发明专利。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。

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