1.1　先进材料的分类和性能特点

现代科学技术的发展，对焊接接头质量及结构性能的要求越来越高，钢铁材料和常规有色金属材料的焊接已难以满足高新技术发展的要求，各种先进及特殊材料的焊接近年来不断涌现。先进材料受到人们的关注，极大地推动了科学技术进步和社会发展，并在电子、能源、汽车、航空航天、核工业等部门中得到了应用。

1.1.1　先进材料的分类

先进材料是指除普通钢铁材料和有色金属之外已经开发或正在开发的具有特殊性能和用途的工程材料，如高技术陶瓷、金属间化合物、复合材料等。先进材料具有比传统材料更为优异的性能，与高新技术的发展密切相关。先进材料技术是按照人的意志，通过物理化学、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研发过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。先进材料按材料的属性划分，有先进金属材料、无机非金属材料（如陶瓷材料等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。

按材料的使用性能划分，有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光、热等效应，以实现某种功能，如超导材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。先进材料在国防建设上作用重大。例如，超纯硅、砷化镓的成功研制促进大规模和超大规模集成电路的诞生，使计算机运算速度从每秒几十万次提高到每秒百亿次以上；航空发动机材料的工作温度每提高100℃，推力可增大24%；隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现。

先进材料的开发与应用是现代科学技术发展的重要组成部分。随着航空航天、新能源、电力等工业的发展，人们对材料的性能提出了越来越高的要求。开发在特殊条件下使用的先进材料是科学技术发展的趋势之一，而先进结构材料的发展是其中重要的组成部分。

先进材料涉及面很广，并且处于不断的开发和应用中。工程中经常涉及的先进材料主要包括：高技术陶瓷、金属间化合物、叠层材料、复合材料、功能材料等。这些材料的一个突出特点是硬度和强度高、塑性和韧性差，焊接难度很大，采用常规的熔焊方法很难对这类材料进行焊接。

先进材料的发展及应用与高新技术的发展密切相关，而且有独特的和难以替代的作用。例如先进陶瓷材料、金属间化合物和难熔材料的开发与应用，为开发能源、开发太空和海洋、探索航空航天等领域提供了重要的物质基础。先进材料是高新技术发展必要的物质基础，常成为新技术革命的先导。

1.1.2　先进材料的性能特点

从先进材料的合成和制造工艺来看，先进陶瓷、金属间化合物、叠层材料、复合材料等，常将一些高技术手段获得的极端条件（如超高压、超高温、超高速冷却速度等）作为必要的制备方法；其次，先进陶瓷、金属间化合物和复合材料等的研发与计算机技术和自动控制技术的发展和应用密切相关，对材料的质量控制要求非常严格。先进材料是正在发展的、具有高强度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优异性能和特殊用途的材料。

（1）先进陶瓷材料

又称高技术陶瓷、新型陶瓷或高性能陶瓷，是以精制的高纯、超细人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的制备工艺获得的具有优异性能的新一代陶瓷。

陶瓷是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物为原料，经适当配料、成形和高温烧结等合成的无机非金属材料。先进陶瓷在组成、性能、制造工艺及应用等方面都与传统的陶瓷截然不同，组成已由原来的SiO2、Al2O3、MgO等发展到了Si3N4、SiC和ZrO2等。采用先进的物理、化学方法能够制备出超细粉末。烧结方法也由普通的大气烧结发展到控制气氛的热压烧结、真空烧结和微波烧结等先进的烧结方法。先进陶瓷具有特定的精细组织结构和性能，在现代工程和高新技术发展中起着重要的作用。

广义的先进陶瓷包括人工单晶、非晶态（玻璃）陶瓷及其复合材料、半导体、耐火材料等，属于无机非金属材料。陶瓷材料一般分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类，生物陶瓷可以归入功能陶瓷（也可以单独列出）。与焊接技术相关的主要是结构陶瓷。

先进陶瓷具有优异的物理和力学性能，如高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温和抗热震性等，而且在电、磁、热、光、声等方面具有独特的功能。

与金属材料相比，陶瓷材料的线胀系数比较低，一般在10－5～10－6K－1的范围内；熔点（或升华、分解温度）高很多，有些陶瓷可在2000～3000℃的高温下工作且保持室温时的强度，而大多数金属在1000℃以上就基本上丧失了强度性能。因此，陶瓷作为高温结构材料用于航空发动机、切削刀具和耐高温部件等，具有广阔的前景。

先进陶瓷的发展趋势有三个方面。

① 由单相、高纯材料向多相复合陶瓷方向发展，包括纤维（或晶须）补强的陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、两种或两种以上主晶相组合的自补强材料、梯度功能陶瓷材料以及纳米-微米陶瓷复合材料等。

② 从微米级尺度（从粉体到显微结构）向纳米级方向（1至数百纳米）发展，即向介于原子或分子与常规的微米结构之间的过渡性结构区发展，将出现与以往的微米级陶瓷材料不同的化学和物理性质，如超塑性和电、磁性质的变化等。

③ 陶瓷材料的加工，如剪裁、形状设计和连接（焊接）等。

（2）金属间化合物

金属间化合物简称IMC（Intermetallics Compounds），是指由两种或者更多种金属组元按比例组成的、具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构和金属特性（有金属光泽、导电性和导热性）的化合物。特点是各元素间既有化学计量的组分，而其成分又可以在一定范围内变化从而形成以化合物为基体的固溶体。

金属间化合物的金属元素之间通过共价键和金属键共存的混合键结合，性能介于陶瓷和金属之间（也被誉为半陶瓷材料）：塑性和韧性低于一般金属而高于陶瓷材料；高温性能高于一般金属而低于陶瓷材料。两种金属以整数比（或在接近整数比的一定范围内）形成化合物时，其结构与构成它的两金属的结构不同，从而形成长程有序的超点阵结构。

金属间化合物分为结构用和功能用两类，前者是作为承载结构使用，具有良好的室温和高温力学性能，后者具有某种特殊的物理或化学性能，作为功能材料使用。

金属在高温下会失去原有的强度。金属间化合物却不存在这样的问题，可以说在高温下方显出金属间化合物的“英雄本色”。在一定温度范围内，金属间化合物的强度随温度升高而增强，这就使这类材料在高温结构应用方面具有潜在的优势。但是，伴随着金属间化合物的高温强度性能的，是其较大的室温脆性。20世纪30年代金属间化合物刚被发现时，它们的室温延性几乎为零。因此，有人预言，金属间化合物在结构上没有实用价值。

20世纪80年代中期，美国科学家们在金属间化合物室温脆性研究上取得了突破性进展，使它的室温伸长率大幅度提高，甚至与纯铝的延性相当。这一重要发现及其所蕴含的发展前景，吸引了各国材料科学家对金属间化合物的关注，在世界范围内掀起一股研究热潮，在不同层次上开展研发工作，先后突破了Ti3Al、Ni3Al、TiAl、NiAl等金属间化合物的脆性问题，使这些材料向工程实用跨出了关键性的一步。

金属间化合物的脆性问题基本解决后，要使这些合金成为实用的工程材料，还需解决一系列问题，如进一步提高强度和高温强度、改善加工性能（特别是压延性、焊接性）和保证组织稳定性等。

以金属间化合物为基体的合金或材料是一种全新的材料。常规的金属材料都是以相图中端际固溶体为基体，而金属间化合物则以相图中间部分的有序金属间化合物为基体。许多金属间化合物具有反常的强度与温度之间的关系特性，这些金属间化合物的屈服强度随着温度的提高而升高，在达到峰值后又随着温度的提高而下降。

金属间化合物具有独特的物理化学特性，如独特的电学性能、磁学性能、光学性能、声学性能、化学稳定性、热稳定性和高温强度等。此外，金属间化合物还具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性能、超导性、半导体性能及其他功能特性等。正是由于金属间化合物具有这些突出特性，因此这是一类极具发展潜力的高温结构材料。

金属间化合物的种类繁多，包括所有金属与金属之间的化合物，而且不遵循传统的化合价规律。目前用于工程结构的金属间化合物集中于Ni-Al、Ti-Al和Fe-Al三大合金系。Ni-Al系金属间化合物是研究较早的一类材料，研究比较深入，取得了许多成果，也有很多实际应用。Ti-Al系金属间化合物由于密度小、性能好，是潜在的航空航天材料，极具发展前景，国外已开始用于军事领域。Ni-Al和Ti-Al系金属间化合物性能优异但价格高，主要用于航空航天等高科技领域。Fe-Al系金属间化合物除具有高强度、耐腐蚀等优点外，还具有成本低和密度小等优势，具有广阔的应用前景。

金属间化合物这一“高温材料”最大的用武之地是在航空航天领域，由轻金属（如Ti、Al）组成的金属间化合物密度小、熔点高、高温性能好等，具有极诱人的应用前景。

（3）叠层材料

叠层材料（也称叠层复合材料）是将两种或两种以上具有不同物理、化学性能的材料按一定的层间距及层厚比交互重叠形成的“三明治”型结构或多层材料（微叠层材料），材料组分可以是金属、金属间化合物、聚合物或陶瓷等。叠层材料的性质取决于每一组分的结构和特性、各自体积含量、层间距、它们的互溶度以及在两组分之间形成的金属间化合物。由于更能满足高性能产品的结构需求，因此这种材料得到高度重视。

叠层材料旨在利用韧性金属克服金属间化合物的脆性，层间界面对内部载荷传递、应力分布、增强机制和断裂过程有重要影响，使其在性能上优于相应的单体材料，具有更为优异的高温韧性、抗蠕变能力、低温断裂强度、高温时的微结构热力学稳定性，在航空航天领域有良好的应用前景。在深入了解叠层材料性能特点、制备工艺的基础上，分析叠层材料的焊接性问题，对推动叠层材料的发展及应用具有重要意义。

Ni-Al、Ti-Al等金属间化合物因其具有良好的比强度、比刚度、抗氧化性和耐腐蚀性等优异性能，是一类极具发展潜力的高温结构材料，在航空航天领域中具有广阔的应用前景。但是，金属间化合物较高的室温脆性严重限制了它的实际应用。莫斯科鲍曼技术大学、美国GE公司（在美国空军实验室材料指导部资助下）开展了将金属间化合物与韧性金属制成叠层复合材料的研发，依靠韧性金属克服金属间化合物的脆性，为航空航天材料提供了发展前景。

微叠层复合材料通过在脆性金属间化合物层间交替加入韧性金属层制成，其性质取决于各组分的特性、体积分数、层间距及层厚比。层间界面对微叠层复合材料内部载荷的传递、残余应力、微区应力及应变分布、增强机制和断裂机制有重要影响。交替界面对微叠层复合材料有三种强化作用：Orowan型强化，界面对层内位错运动的阻碍作用；Koehler强化，由于界面两侧模量差异形成作用于位错上的像力，使位错运动的阻力增大；Hall-Patch型强化，晶粒边界对位错运动的阻碍作用。叠层复合材料的应力场是一种能量耗散结构，能克服脆性材料突发性断裂的致命弱点，当微叠层材料受到冲击或弯曲时，微裂纹多次在层界面处受到阻碍而偏折或者钝化，这样可以有效减弱裂纹尖端的应力集中效应，改善材料韧性，结合良好的界面具有阻滞裂纹扩展、缓解应力集中的作用。

（4）复合材料

复合材料是指由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，按一定方式、比例及分布方式合成的一种多相固体材料。通过良好的增强相/基体组配及适当的制造工艺，充分发挥各组分的长处，得到的复合材料具有单一材料无法达到的优异综合性能。复合材料保持各组分材料的优点及其相对独立性，但却不是各组分材料性能的简单叠加。

复合材料的发展可以分为两个阶段，即早期复合材料和现代复合材料。“复合材料”（composite materials）一词出现于20世纪40年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂，20世纪60年代以后陆续开发出多种高性能纤维；20世纪80年代以后，各类作为复合材料基体的材料（如树脂基、金属基、陶瓷基、碳/碳基）和增强相的使用和改进使复合材料的发展达到了更高的水平，进入高性能现代复合材料的发展阶段。

复合材料制造技术实质上就是用原有的金属材料、无机非金属材料和高分子材料等作为组分，通过一定的工艺方法将增强相与基体复合在一起，制成既保留原有材料的特性又能呈现出某些新性能的材料。

复合材料一般有两个基本相：一个是连续相（称为基体）；另一个是分散相（称为增强相）。复合材料的性能取决于各相的性能、比例，而且与两相界面性质和增强相的几何特征有密切的关系。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，分散相可以是纤维、晶须、颗粒（分别以下标f、w、p表示）等弥散分布的填料。

金属基复合材料包括晶须、颗粒和短纤维增强的金属基复合材料等几种。增强相包括单质元素（如石墨、硼、硅等）、氧化物（如Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2等）、碳化物（SiC、B4C、TiC、VC、ZrC等）、氮化物（Si3N4、BN、AlN等）的颗粒、晶须及短纤维。

连续纤维增强金属基复合材料由基体金属及增强纤维组成，基体通常是一些塑性、韧性好的金属，其焊接性一般较好；而增强相是高强度、高模量、高熔点、低密度和低线胀系数的非金属，其焊接性都很差。这类材料的焊接不但涉及金属基复合材料之间的焊接，还涉及金属与非金属增强相之间的焊接以及增强相之间的焊接。

（5）功能材料

材料可分为结构材料和功能材料两大类。功能材料的概念是美国J.A.Morton于1965年首先提出的。功能材料是指具有特定功能的材料，在物件中起着“功能”的作用。许多新功能材料已经批量生产和得到应用，推动了现代科学技术的进一步发展。

功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断，并试图占领中国广阔的市场，这种态势已引起我国的高度重视。功能材料不但是发展信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础，直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。

功能材料在国民经济、社会发展及国防建设中起着独特的作用，它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级、实现跨越式发展起着重要的促进作用。

功能材料种类繁多，用途非常广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。

在适当的条件下，结构材料和功能材料可以相互转化。因为结构材料和功能材料有着共同的科学基础，很难截然分开。有时，一种材料同时具有结构材料和功能材料两种属性，例如机体隐身材料就兼有承载、气动力学、隐身三种功能。

当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。