چکیده
ساخت مواد و قطعات با کار کرد بالا (high performance) یکی از فاکتور های عمده پیشرفت صنایع مدرن بشمار می رود .بررسیهای بعمل آمده نشان می دهد که بدون مواد مهندسی و بدون استفاده از یافته های جدید علم و مهندسی مواد ,امکان حضور در حوزه های علمی و تخصصی و در میادین رقابت جهانی به سختی حاصل و یا امکان پذیر نخواهد بود . در این نوشتار ضمن اشاره به پتانسیل بالقوه بکارگیری اتصال و جوشکاری سرامیکها ,بهره مندی از خواص خوب سرامیکها ,از طریق اتصال با مواد دیگر در صنایع مطرح و روشهای مختلف به بحث گذاشته شده است.

پیشرفتهای آزمایشگاهی جوشکاری و اتصالات سرامیکها قبل از سال ۱۹۲۰شروع شده است.
پس از گذشت هفتاد سال , پیشرفتهائی برای اصلاح و بهبود خواص انجام شده است که این روندکار ونیزتکنیکها و تجهیزات تا بحال ادامه دارد.در دو دهه گذشت, پیشرفت چندان زیادیدر تکنولوژیاتصال سرامیکهاحاصل نشده است.با این حال,روشهای متعددی برای اتصال سرامیک به سرامیکو اتصال سرامیک-فلز بکار میرود که در این نوشتار به برخی از روشهای عمده اشارهشده است هدف از اتصال و جوشکاری سرامیکها بهر مندی از خواص خوب سرامیکها,از طریق اتصالبا مواد دیگر است.بطوریکه خواص منفی آنها کاهش یابد.مسُِِِله مهم در

این راستا,تشکیل تنشهای موضعی در محل جوش و اتصال استکه برای مواد ترد مانند سرامیکها ممکن است خطر ناک باشد.در چند سال اخیر,تکنیکها و روشهای جدیدی برای اتصال در سرامیکها بکار گرفته شده است. تمرکز اصلی این مقاله لحیم کاری سخت و معمولی (Brazing and Soldering) می باشد که دو زیر مجمعه کلی آن یعنی روش بریزینگ با فلزات فعال و با فلزات غیر فعال بحث بررسی شده است.

تحولي و رشد

اختراع ليزر به سال ۱۹۵۸ با نشر مقالات علمي در رابطه با ميزر اشعه مادون قرمز و نوري بر مي‌گردد. نشر مقالات مذکور سبب افزايش تحقيقات علمي توسط دانشمندان
در سر تا سر جهان گرديد. در بخش ارتباطات نيز کارشناسان توانايي ليزر را که جايگزين ارسال يا مخابره الکتريکي شود، تأييد نمودند. اما اينکه چگونه پالسها را مخابره
نمايند، مشکلات زيادي را بوجود آورد. در سال ۱۹۶۰ دانشمندان پالس نور را مخابره نمودند، سپس از ليزر استفاده کردند. ليزر ، نور خيلي زيادي را توليد نمود که بيش آزمایشهای مربوط به هوا از قبیل پرندگان قرار گیرد.دانشمندان نیز طرحهای جدیدی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند. قبل از اینکه لیزر بتواند

پسیگنالهای تلفن را ارسال دارد. اختراع مهم دیگر موجبر فیبر نوری بود که شرکتهای مخابراتی برای ارسال صدا ، اطلاعات و تصویر از آن استفاده می‌کنند. امروزه ا
رتباطات الکترونیکی بر پایه فوتونها استوار می‌باشد. تکنولوژی تسهیم طول موج یا رنگهای مختلف نوری برای ارسال تریلیون بیت فیبر نوری استفاده می‌کند.بعد از اینکه
لیزر دی اکسید کربن در سال ۱۹۶۴ اختراع شد کاربرد لیزر در زمینه‌های پزشکی خیلی توسعه یافت و برای جراحان این امکان را فراهم نمود تا بجای استفاده از چاقوهای
جراحی از فوتون استفاده نمایند. امروزه لیزر می‌تواند وارد بدن گردد، اعمال جراحی را انجام دهد، در صنایع و در کارهای ساختمانی ، در وسایل نظامی و غیره
کاربردهای فراوان آنرا می‌توان مشاهده نمود.

همدوسی زمانی لیزر

همدوسی زمانی فوتونهای نور لیزر به معنی هماهنگی بین آنها از لحاظ وضعیت ارتعاشی (فاز) آنهاست. همدوسی مکانی نور لیزر به معنی هماهنگی بین فوتونهای تشکیل
دهنده نور لیزر از لحاظ راستای انتشار آنهاست. به لحاظ همدوسی زمانی که در نور لیزر وجود دارد، قدرت تأثیر گذاری فوتونهای آن در نقطه هدف بسیار بالاتر از

نورهای معمولی است؛ زیرا طبق اصل برهمنهی امواج ، به دلیل همفاز بودن این فوتونها ، میدانهای الکتریکی‌شان مستقیما باهم جمع شده و میدانی قوی را بوجود می‌آورند.
همچنین به لحاظ همدوسی مکانی نور لیزر ، نور خروجی بصورت باریکه‌ای جهتمند از آن خارج شده و می‌تواند تا مسافتهای طولانی‌تری بدون افت چشمگیر توانش طی
کند و نیز بوسیله کانونی کردن آن در نقطه کوچکی می‌توان به شدتهای بسیار بالایی دست یافت. نور لیزر نوری تقریبا تکرنگ است. مشخصه رنگ در نور به فرکانس آن

وابسته است، بنابراین نور فوتونهای لیزر در محدوده کوچک فرکانسی گسیل می‌شوند، در حالیکه منابع نور معمولی گستره فرکانسی بسیار بالایی را دارند.معیار تکرنگی یا
خلوص نور لیزر ، پهنای فرکانسی آن است که طبق تعریف ، فاصله دو فرکانسی است که منحنی توزیع فرکانسی نورهای گسیلی در نصف ماکزیمم آن دارند. این فاصله در
لیزرها فوق‌العاده کمتر از منابع نور معمولی یا منابع نور گازی است. این به معنای آن است که اکثر انرژی تابشی لیزرها حول فرکانس مرکزی آن می‌باشد. در منابع
معمولی ، برعکس لیزرها منحنی توزیع فرکانسی بسیار وسیع است و پهنای فرکانسی آن نیز نتیجتا بسیار زیاد است. بنابراین اگر بخواهیم که نور این منابع را با استفاده از
مثلا فیلتر و یا یک تجزیه‌گر بصورت تقریبا تکرنگ در بیاوریم، از شدت آن به‌ مقدار زیادی کاسته خواهد شد

تقسیم بندی لیزرها

لیزرها بر اساس آهنگ خروج انرژی از آنها به دو دسته “پیوسته‌کار” و “پالسی” تقسیم ‌بندی می‌شوند. نور لیزرهای پیوسته‌ کار بطور پیوسته گسیل می‌شود، ولی نور
لیزرهای پالسی در زمانهای کوتاه که به این زمان “دوام پالس” گفته می‌شود ارائه می‌گردد. فاصله زمانی ارائه دو پالس متوالی معمولاً خیلی بیشتر از زمان دوام پالس
است. لیزرهای پالسی به‌دلیل اینکه می‌توانند انرژی خود را در زمان کوتاهی ارائه دهند، معمولاً دارای توانهای بالاتری می‌باشند.لیزرها را براساس حالت ماده لیزر زا هم
به لیزرهای حالت جامد ، لیزرهای گازی ، لیزر رزینه ، لیزرهای نیمه‌هادی (دیودهای لیزری)، و لیزرهای الکترون آزاد تقسیم ‌بندی می‌کنند. همچنین ممکن است لیزرها را
براساس نوع ماده تشکیل‌دهنده محیط لیزر زایی نیز تقسیم‌ بندی کرد. لیزر یاقوت ، لیزر نئودیوم- یق ، لیزر دی اکسید کربن ، لیزر هلیوم- نئون و انواع لیزرهای دیگر بر
این اساس نامگذاری شده‌اند

خواص نور لیزر

لیزر این نور شگفت از نظر ماهیت هیچ تفاوتی با نور عادی ندارد و خواص فیزیکی لیزر ، آنرا از نورهای ایجاد شده از سایر منابع متمایز می‌سازد. از نخستین
روزهای تکنولوژی لیزر ، به خواص مشخصه آن پی برده شد. و ما بصورتی گزینشی به این خواص از ماهیت فرآیند لیزر می‌پردازیم که خود این خواص بستری
عظیم برای کاربردهای وسیع این پدیده ، در علوم مختلف بخصوص صنعت و پزشکی و … ایجاد کرده است. به جرأت می‌توان گفت پیشرفت علوم بدون
تکنولوژی لیزر امکان پذیر نیست

مقدمه
مطالعات تئوریک و کاربردی نشان داده است که علم و مهندسی مواد نقش اساسی و کلیدی در توسعه و تکامل تکنولوژی و فنون جدید در قرن بیستم بر عهده داشته و پیش بینی شده است که در قرن حاضر نیز یکی از محورهای اساسی و اصلی علوم,فنون وتکنولوژی می باشد{۱}.
ساخت موادوقطعات باکارکردبالا (High Performance)یکی ازفاکتورهای عمده پیشرفت صنایع مدرن به شمار می رود.مطالب فوق نشان می دهد که بدون موادمهندسی و بدون استفاده از یافته های جدیدعلم ومهندسی مواد ,به پتانسیل بالقوه بکارگیری آنها در صنایع اشاره می شود.
علم و مهندسی مواد به سه زیر مجموعه کلی تقسیم می شود که هر یک از شاخه های فوق پتانسیل بالقوه بکار گیری آنها در صنایع را برای ما مشخص و واضح می نماید {۵-۲} .
سه زیر مجموعه فوق عبارتند از:

۱-علم متالوژی و کامپوزیت زمینه فلزی (MMC)
2-پلیمر و کامپوزیت های زمینه پلیمری (PMC)
3-علم سرامیک و کامپوزیت های زمینه سرامیک (CMC)

شناخت پتانسیل های بالقوه و بالفعل هر یک از مجموعه های فوق ما را دردستیابی به اهداف نهایی رهنمون می سازد.مسئله دیگر,بحث اتصالی بودن در بکار گیری تکنولوژی های نوین درصنایع مختلف است .درچند سال گذشته مباحث علمی کاربردی انواع جدید مواد اصلا” قابل طراحی نبودن و حال آنکه ,در موقیت فعلی شرایط مناسب فراهم شده است.بکار گیری تکنولوژی و قطعات نو در جهت ارائه محصولات بر تر و مناسب تر , درجلب رضایت مشتری نقش مهمی را ایفا نموده و زمینه را جهت ورود تدریجی به بازار های منطقه ای و جهانی فراهم خواهد نمود .در میان کشورهای در حال توسعه , ایران به عندان کشوری با بازار قوی ازنظر خرید خودرو و دیگر محصولات صنعتی و پتانسیل بالقوه برای تولید این محصولات مطرح می باشد . یکی از تکنو لو ژی هایی که توانایی صنایع را به حد مطلوب می رساند مواد مهندسی است .

از طرفی ,در کاربردهای جدید ضروری است تا پیش از یک ماده و با خواص مختلف در کنار هم قرار گیرند تا شرایط کاربردی را بهترر تامین نمایند . در این راستا ,اتصال فلز –سرامیک و اتصال سرامیک –سرامیک مطرح شده است . اتصال سرامیک مطرح شده است . اتصال سرامیک به مواد دیگر امکان بکار گیری و ساخت قطعاتی از سرامیک را ممکن می سازد که ساخت آنها بصورت یک قطعه غیر ممکن و یا بسیار مشکل است.بر عکس جوشکاری و اتصال سرامیک –فلز بکار می رود که در این نوشتار به برخی از این روشهای عمده اشاره شده است .

بررسیهای بعمل آمده حاکی از کاررد قطعات سرامیکی در صنایع مدرن است که در این قسمت به برخی از کاربردهای عمده قطعات سرامیکی اشاره می شود {۶}.به عنوان مثال
می توان کاربرد سرامیکها در صنایع خودرو –صنایع توربین گازی –ابزار برش –صنایع الکترونیک و کامپیوتر-صنایع متا لوژی و ذوب فلزات (نسوزها) – در پزشکی (سرامی کها ی پزشکی ,بیو سرامیکها)-صنایع نظامی و هسته ای –صنایع هوا –فضا و صنایع شیمی و پتروشیمی را نام برد.

عمده این کاربردها مستلزم بکار گیری بیش از یک ماده و با خواص مختلف در کنار هم می باشد تا شرایط کاربردی را بهتر تامین نمایند . معمولا”,دمای کاربردی مواد در حدود ۵/۰تا ۷/۰ نقطه ذوب آنها می باشد که در این محدوده تنها ۱۲ فلز (Tm>2000 C) وجود دارد و حال آنکه ۳۳ اکسید ,۳۴ کاربید,۱۷ نیترید و ۵۴ بورید دارای چنین شرایطی هستند.نکته مهمتر , کاهش کمتر خواص سرامیکها در دمای بالاست . به عنوان مثال ,استفاده ازسیستمهای الکتریکی ,مغناطیسی والکترومکانیکی درخودرو که در بر گیرنده زمینه بحث و بررسی حسگر ها , هشدار دهنده ها و کنترل کننده ها , مصرف آلیاژهای حا فظه دار , قطعات مغناطیسی,قطعات PTCRو NTCR, سنسورهای گاز اکسیژن ,کاتالیست های اگزوز , شمع اتو مبیل و در

نهایت سیستم های هشدار دهنده از جمله برخی از مصارف این محموعه وسیع در صنعت خودرو می باشند .در چند سال اخیر ,تکنیکها و روشها ی جدیدی برای اتصال در سرامیکها بکار گرفته شده است که به تدریج کاربردهای صنعتی نیز پیدا نموده اند .این روشها نیاز به بررسی و انجام تحقیقا ت گستر ده تر دارد تا بتوان کاربردهای اساسی در طراحی قطعات مهندسی را ایجاد نمود.در این مقاله ضمن بررسی کلیات روشهای فوق ,تعدادی از این روشها ارائه شده است .

چگونگی اتصال بین مواد مشابه و غیر مشابه با خواص مطلوب ,مستلزم بحث وبررسی عوامل موثردرآن میباشد.در بحث و بررسی اتصال سرامیکها به مواد دیگر پارامتر های مهمی نقش دارند که نکته خائز اهمیت تشکیل پیوند مکانیکی و شیمیایی مناسب بین قطعات می باشد . در حقیقت اتصال نتیجه تشکیل پیوندهای مکانیکی و شیمیایی است , لذاکنترل تشکیل این پیوندهاو عوامل موثر در آنها می تواند تنشها در فصل مشترک و کنترل این مسئله بسیار موثر می باشدکه تمامی این پارامترها در اتصال سرامیکها ارزیابی شده است .

هدف از اتصال و جوشکاری سرامیکها بهره مندی از خواص خوب سرامیکها ,از طریق اتصال با مواد دیگر است . یطوریکه خواص منفی آنها کاهش یاید .از طرفی , درکاربردهای جدید ضروری است تا بیش از یک ماده و با خواص مختلف در کنار هم قرار گیرند تا شرایط کاربردی رابهتر تامین نمایند.دراین راستا ,اتصال فلز– سرامیک و اتصال سرامیک–سرامیک مطرح شده است ,که به مرور زمان مورد توجه بیشتری قرار گرفته است .اتصال سرامیک به مواد دیگرامکان بکار گیری و ساخت قطعاتی ازسرامیک راممکن می سازد که ساخت آنها بصورت یک قطعه غیر ممکن و یا بسیار مشکل است . مسئله مهم ,تشکیل تنشهای مو ضعی درمحل جوش و اتصال است که برای مواد فرد مانند سرامیکها ممکن است خطرناک باشد.

گاهی برای کاهش تمرکز تنش در فصل مشترک , از چندین لایه واسط استفاده می شود .روشهای متعددی برای اتصال سرامیک به سرامیک و اتصال سرامیک – فلز بکار میرود که در مقالات مختلف به برخی از روشهای عمده اشاره و ضمن بررسی کلیات روشهای فوق ,مزایا و معایب هر یک مطرح شده است .تعدادی از این روشها عبارتنداز: اتصال مکانیکی ,اتصال چسبی و سیمانی ,اتصال همزمان ,(In-Situ),روشهای جوشکاری ,روش لحیم کاری معمولی و سخت ,اتصال نفوذی مسقیم , اتصال شیشه ای ,روش متالیزه کردن .

روشهای اتصال و جوشکاری سرامیکها

روشهای متعددی برای اتصال سرامیک به سرامیکو اتصال سرامیک –فلز بکار می رود که در این قسمت به برخی از روشهای عمده اشاره می شود.نکته قابل توجه این است که بررسیها نشان داده است که در اتصال فلز –سرامیک مقدار تنش بطور متوسط در حدود ۱Mpa/Cمی باشد .به عبارت دیگر اگر جوشکاری در محدوده ۳۰۰-۱۵۰۰cانجام گیرد تنش حاصل از استحکام (خمشی)بسیاری از سرامیکها بیشتر می گردد (عامل شکست آنها ).لذا این عامل یکی از پارامتر های اصلی است که باعث میشود تا روشهای اتصال غیر مستقیم بیشترین کاربرد را در اتصال سرامیکها داشته باشند که شامل روشهای اتصال غیر مستقیم بیشترین کاربرد را در اتصال سرامیکها داشته باشند که شامل روشهای اتصال بوسیله چسب ,اتصال بوسیله شیشه و شیشه –سرامیک ,اتصال سیمانی و…می شود .

تذکر و نکته مهم این است که هر روشی که بکار رود باید اتصالی قوی و مطمئن و با خواص اپتیمم بدست آید.از طرفی اتصال نباید هیچگونه فضای خالی نفوذی بین دو قطعه ایجاد کند .
روشهای متعددی برای اتصال سرامیکها بکار می رود که برخی از روشها اشاره می شود .

۱-اتصال مکانیکی
۲-اتصال چسبی و سیمانی
۳-اتصال همزمان (In-Situ)
4-روش های جوشکاری (Welding)
5-روش لحیم کاری معمولی و سخت (Soldering and Brazing)

۶-اتصال نفوذی (مستقیم و غیر مستقیم)(Diffusion Bonding )
7-اتصال شیشه ای (Glass Adhesion)
8-روش متالیزه کردن
۹-روش جوشکاری اصطکاکی (Friction Welding)
در چند سال اخیر ,تکنیکها و روشهای جدیدی برای ایجاد اتصال در سرامیکها بکار گرفته شده است که به تدریج کاربردهای صنعتی نیز پیدا نموده اند .این روشها نیاز به بررسی بیشتر و انجام تحقیقات گسترده تردارد تا بتوان کاربردهای اساسی در طراحی قطعات مهندسی را ایجاد نمود.برخی از این روشها عبارتند از:
۱-انتقال مذاب فلزی –Liquid Metal Transfer
2-روش اسپری پلاسما-Plasma Spraying

۳-روش اتصال وسیله مایکروویو-Microwave Joining
4-ماشینکاری دقیق و اتصال مکانیکی-Micromachining and MechanicalAdhesion
5-اتصال همزمان با پروسه ساخت –In – Situe Method
6-رسوب از فاز شیمیائی و فیزیکی – CVD-PVD
7-جوشکاری الکتریکی – Electric Welding
8-جوشکاری سرد – Cold Welding

۹-اتصال حالت جامد نوین – New Solid State Adhesion
10-اتصال از طریق التراسونیک – Ultrasonic Joing
11-اتصال از طریق الکترو مغناطیس – Electromagentic Joining
12-اتصال و جوشکاری لیزری
۱۳-اتصال و جوشکاری بیم الکترونی

تمرکز اصلی این مقاله لحیم کاری سخت و معمولی (Brazing and Soldering ) می با شد که دو زیر مجموعه کلی آن یعنی روش بریزینگ با فلزات فعال و فلزات غیر فعال بحث و بررسی شده است.

کلیات روشهای لحیم کاری معمولی و سخت (Soldering and Brazing )
مواد سرامیکی بسختی لحیم کاری می شوند زیرا که براحتی توسط آلیاژ لحیم خیس نمی شوند . وقتی به مواد فلزی متصل می شوند , اختلاف در ضرایب انبساط حرارتی باعث ایجاد تنش های پسماند شده و ایجاد ترک در قطعه سرامیکی می نماید.در اتصال یرامیک به فلز با روش لحیم کاری بایستی از روشهایی استفاده نمود که تنش های پسماند را کاهش دهد. تکنیک هائی مانند پوشش فلزی (Metallizing) و آلیاژهای لحیم فعال انعطاف پذیر (Ductile reactive) جهت افزایش خاصیت خیس شوندگی سطح سرامیک استفاده می شود ,این عمل تنش های با قیمانده را در قطعه کاهش داده و مقاومت به ترک را افزایش می دهد.

در دو روش لحیم کاری معمو لی (soldering) و لحیم کاری سخت ((Brazing با استفاده از مواد فلزی ,دو قطعه سرامیکی و یا سرامیک به فلز به یکدیگر متصل می شوند.ابتدا هر یک از دو روش توضیح داده و سپس مثالهای عملی از بکارگیری این روشها در اتصال سرامیکها مطرح خواهد شد.