CN102040393B - 陶瓷和铝或铝合金的表面金属化连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷和铝或铝合金的表面金属化连接方法。该方法包括如下步骤：1)使陶瓷的连接面上形成铝合金1液膜，得到连接面覆有所述铝合金1液膜的陶瓷；2)在所述连接面覆有所述铝合金1液膜的陶瓷的连接面位置上放置纯铝或铝合金2，以所述铝合金1液膜为焊料，使所述连接面覆有所述铝合金1液膜的陶瓷与所述纯铝或铝合金2钎焊在一起。本发明方法所形成的铝或铝合金薄膜与陶瓷之间的界面没有源自铝表面氧化膜的氧化物夹杂，牢固不易脱落，90°撕裂强度试验证明，铝或铝合金和陶瓷的界面连接强度超过铝自身的强度，非常牢固，且界面无缺陷，适于工业生产的需要。因此，本发明方法在陶瓷和铝或铝合金的连接领域有广泛的用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷和铝或铝合金的表面金属化连接方法。
背景技术
陶瓷具有耐磨、耐蚀、耐高温等独特的性能，是一种重要的工程材料。此外，陶瓷还具有良好的导热和绝缘性能，也是一种良好的电子封装材料。由于陶瓷比较脆、机械加工困难、导电性能差或者不导电，在许多场合往往需要将其和金属连接制作复合材料或者复合结构件，而铝是目前仅次于钢铁，应用最为广泛的工程材料和导电材料，铝和陶瓷的连接具有重大的实用价值。
有关陶瓷和铝的连接方法已经开展了许多研究，先后开发了真空钎焊法、固相连接法、摩擦焊接法、高真空清洁压接法、超声波振动压接法、铸接法等连接方法。其中真空钎焊法是在陶瓷和铝材之间放入低熔点的铝合金作为焊料，然后在氮气等惰性气体气氛、或还原性气体气氛中，或者在10-3Pa以上的高真空中加热使铝合金焊料熔化，将陶瓷和铝焊接在一起。固相连接法与钎焊法基本相同，不同之处在于：加热温度较低，焊接过程中没有液体产生；需要施加足够大的压力，以使铝和陶瓷连接面相接触。采用这些方法虽然能够将铝和陶瓷连接，但是由于铝的化学性质非常活泼，其与氧的平衡分压在1000℃以下的温度范围内小于10-42Pa，铝的表面总是存在着氧化膜，铝和陶瓷不润湿，连接界面存在着大量的未连接缺陷，连接体的力学性能差[X.S.Ning，T.Okamoto，Y.Miyamoto，A.Koreeda，K.Suganuma，and S.Goda，Bond strength and interfacial structure of silicon nitridejoints brazed with aluminium-silicon and aluminium-magnesium alloys，Journal of Materials Science，26卷(1991年)2050-2054页；E.Saiz；A.P.Tomsia；K.Sugamuma，Wetting and strength issues at Al/α-aluminainterfaces，Journal of European Ceramic Society，23卷(2003年)2787-2796页]，影响其实际应用。
为了消除氧化膜的影响，人们先后发明了摩擦压接法、超声波振动压接法、超高真空清洁压接法以及铸接法。其中摩擦压接法是将陶瓷和铝加压接触后使它们相互摩擦以除去铝表面的氧化膜，然后利用摩擦产生的热使得陶瓷和铝压接在一起；超声波振动法的基本原理与摩擦压接法相同，不同之处在于摩擦是由超声波振动产生的；超高真空清洁压接法是先在真空中用离子轰击的方法除去铝表面的氧化膜，然后在10-6Pa以上的超高真空中，把铝和陶瓷压接在一起；铸接法是通过将陶瓷插入铝液中运动以除去铝表面的氧化膜，然后使部分铝液铸接在陶瓷上，实现陶瓷和金属的连接。虽然这些方法或多或少地可以除去铝表面的氧化膜，改善陶瓷和铝的连接界面的性能，但是它们也存在许多缺点和不足。例如摩擦压接法、超声波压接法以及高真空清洁压接法需要施加很大的压力，因此对金属或者陶瓷的形状有限制，并且连接后的尺寸精度也很难保证；而铸接法本质是铸造方法，一方面金属内部容易出现铸造缺陷，另一方面其形状及表面精度也受到制约。
发明内容
为了解决铝表面原生氧化膜妨碍铝和陶瓷的连接，造成连接体性能差的问题，发明人长期以来开展了大量的研究。研究发现通过将陶瓷浸入铝合金熔液中移动以除去铝表面的原生氧化膜，然后将其移出，可以使陶瓷表面粘附上一层铝合金液膜，用此液膜作为钎焊料，可以将陶瓷与铝或铝合金部品或材料牢固地连接在一起，从而完成了本发明。
本发明的目的是提供一种连接陶瓷和铝或铝合金的方法。
本发明所提供的连接陶瓷和铝或铝合金的方法，包括如下步骤：1)使陶瓷的连接面上形成铝合金1液膜，得到连接面覆有所述铝合金1液膜的陶瓷；2)在所述连接面覆有所述铝合金1液膜的陶瓷的铝合金1液膜上放置纯铝或铝合金2，以所述铝合金1液膜为焊料，使所述连接面覆有所述铝合金1液膜的陶瓷与所述纯铝或铝合金2钎焊在一起；所述钎焊的温度高于所述铝合金1的熔化温度且低于所述纯铝的熔点，或所述钎焊的温度高于所述铝合金1的熔化温度且低于所述铝合金2的熔化温度。
上述方法中，为了防止铝或铝合金部件或材料熔化变形，控制钎焊温度高于铝合金1的熔化温度、且低于铝或铝合金2部件或材料的熔点或熔化温度(即所述钎焊温度高于铝合金1的熔化温度且低于所述纯铝的熔点，或所述钎焊温度高于铝合金1的熔化温度且低于所述铝合金2的熔化温度)。
所述方法中，所述步骤1)中使陶瓷的连接面上形成铝合金1液膜的方法包括如下操作步骤：将所述陶瓷的连接面浸入所述铝合金1熔液中，并使其相对熔液运动和/或使其在熔液中静置，以使熔液润湿陶瓷的连接面，再将陶瓷的连接面移出熔液，使陶瓷的连接面上粘附铝合金1液膜。
所述铝合金1可为铝硅二元合金、铝-硅-镁三元合金。
所述铝或铝合金2可为任何商用纯铝或铝合金。
所述陶瓷可为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷。
所述使陶瓷连接面上形成铝合金1的液膜的操作及所述将所述钎焊的操作可在真空、惰性气体氛围或或还原性气体氛围中进行。
图1所示为采用本发明方法制备的氧化铝陶瓷和铝的连接样品的界面处的高分辨率透射电子显微镜图像以及各个微区的电子衍射图像。氧化铝陶瓷晶粒(图中最右侧)和铝(图中最左侧)发生界面反应，在它们之间长出了新的氧化铝层。从它们的晶格图像和衍射图像可知，新氧化铝的(104)晶面与原有氧化铝陶瓷晶粒的(104)面共格，(110)面与铝的(111)面半共格。铝直接生长在氧化铝晶粒之上，铝和陶瓷在原子尺度上生长在一起。理论计算表明：氧化铝和铝的共格界面具有较低的界面自由能和很大的结合力[W.Zhang；J.R.Smith；NonsoichiometricInterfaces and Al2O3 Adhension with Al and Ag，Physical Review Letters，85卷(2000年)3225-3228页]。该界面没有普通钎焊界面普遍存在的、源自铝表面原生氧化膜的非晶态氧化物夹杂(有关普通钎焊法界面存在的、源自铝材表面氧化膜的氧化物夹杂，导致界面产生未连接缺陷的报道可以参看下列文献：X.S.Ning，K.Suganuma，M.Morita and T.Okamoto，Interfacial reaction between siliconnitride and aluminium，Philosophical Magazine letter，55卷，(1987年)，93-96页；E.Saiz；A.P.Tomsia；K.Sugamuma，Wetting and strength issues atAl/α-alumina interfaces，Journal of European Ceramic Society，23卷(2003年)2787-2796页)。显然，与普通钎焊法相比，本发明的方法可以有效地除去铝(铝合金)表面的原生氧化膜，使铝或铝合金和陶瓷充分润湿，避免界面出现未连接缺陷。
与现有技术相比，本发明采用了独自的表面金属化连接方法，即首先在陶瓷的连接面上形成铝合金1的液膜，然后用所述液膜作为焊料，进行铝或铝合金2部件或材料与陶瓷的连接。本发明方法具有下列突出优点：可以有效防止液膜和陶瓷的界面夹杂原生氧化膜，使铝合金与陶瓷充分润湿，防止界面产生未连接缺陷；陶瓷连接面上形成的铝合金液膜内部没有氧化物夹杂，可以直接用于陶瓷和铝或铝合金工件的钎焊连接；对所连接的陶瓷以及铝或铝合金部件或材料的形状没有严格的限制，具有普适性；连接过程中无需施加会导致铝或铝合金部件或材料变形的过大压力，可以保证连接件的精度；直接用陶瓷表面粘附的液膜作为焊料，在其上放置被连接件即可连接，便于连续化生产。因此，本发明在陶瓷和铝或铝合金工件的连接领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为采用将陶瓷浸入铝熔液中移动的方法制备的，氧化铝陶瓷和铝的连接体界面区域的高分辨率透射电子显微镜图像以及各个微区的电子衍射图像。
图2为本发明采用的陶瓷表面金属化连接装置的结构示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例所用工业纯铝、5A02铝合金、2A02铝合金、Al-20％Si铝硅合金、工业纯镁以及所有陶瓷板均从商业途径得到。在陶瓷的连接面上形成液膜所使用的铝合金采用Al-20％Si合金、工业纯镁、纯铝熔化配制而成。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
本发明部分实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均从商业途径得到。
下述实施例中所使用的陶瓷表面金属化连接装置结构如图2所示：
该装置由炉体1、炉盖2、石墨坩埚3、下部金属电阻丝加热体4、石墨导轨5、下部氮气导入口6、导轨窗口8、铝带导入口10、导轮11、驱动轮12、钎焊后的工件导出口14、上部金属电阻丝加热体15、上部氮气导入口17组成。陶瓷与铝的连接体标记为13。
石墨坩埚设在炉体内下方，下部金属电阻丝加热体设于石墨坩埚四周，石墨坩埚底部和炉体底部设有与导轨相匹配的开口，两个开口同轴；石墨导轨通过开口穿设于石墨坩埚和炉体之间，并分别与它们固定连接；石墨导轨为两平行板，其内部设有供陶瓷板通行的凹槽，并且在其位于坩埚内部的位置设有窗口8，以使坩埚中的铝合金溶液9和导轨中的陶瓷板7接触。
窗口下方的导轨内面与陶瓷板之间的间隙为0.1mm，该间隙可保证陶瓷在导轨中自由移动，而铝合金熔液不会流出。窗口上方的导轨与陶瓷板之间的间隙为1.3mm，这样可以保证陶瓷板表面粘附的铝合金熔液不与导轨面接触。
铝带16从炉体两侧的导入口进入炉内，借助于导轮11置于表面粘附有铝合金液膜的陶瓷板两侧，在驱动轮12的牵引和陶瓷板的推动下，从炉盖上的出口14移出。导轮、驱动轮与铝带的接触压力可以通过调整两个导轮或者两个驱动轮之间的间隙调节。上、下部加热体的温度可单独调节。为了防止石墨氧化燃烧，炉体和炉盖连接处用硅胶密封，炉内通入氮气保护。
实施例1、采用上述陶瓷表面金属化连接装置，将Al-12wt％Si合金放入石墨坩埚，将氧化铝陶瓷板(长137mm，宽35mm，厚0.64mm，清华粤科生产，氧化铝纯度大于95％)插入通过坩埚的石墨导轨中，将厚度为0.5mm的铝带从入口导入，穿过导轮和驱动轮从出口导出，然后在氮气气氛中(上、下氮气入口流速均为20升/min)加热，使铝合金熔化并升温到730℃。将另一块氧化铝陶瓷板从装置下部的导轨入口以68.5mm/min的速度插入导轨，推动先期插入导轨中的陶瓷板以同样的速度垂直向上运动。在移动过程中，陶瓷板通过导轨上的窗口与坩埚中的铝合金熔液接触并粘附铝合金熔液，然后陶瓷板与表面粘附的铝合金熔液一起从导轨上部推出。进入导轮之间后与铝带接触，在移动期间，陶瓷表面粘附的铝合金液膜与铝带发生反应，润湿铝带并将铝带钎焊在陶瓷之上，从出口移出。上部加热体的温度设置为600℃，该温度高于Al-12wt％Si合金的熔化温度(580℃)，且低于纯铝的熔点(660℃)。
用金刚石切割片将连接后的样品切断，制备金相试样观察表明，铝板紧密地连接在陶瓷板之上，界面未发现未连接之处。从样品上切出5mm宽的样品进行90°撕裂强度试验，撕裂强度为14.4N/mm，且断裂发生在铝板的夹持部，表明界面连接强度大于该数值。说明采用该方法可以将陶瓷和铝牢固地连接在一起。
实验设三次重复，撕裂试验断裂均发生在铝的夹持部，铝和陶瓷的界面连接强度分别大于14.4N/mm、13.6N/mm、13.6N/mm。说明界面连接强度大于13.6N/mm。
实施例2、除了将上部加热体温度设置为620℃之外，其余与实施例1相同。金相试样观察表明，铝板紧密地连接在陶瓷板之上，界面未发现未连接之处。撕裂强度为12.0N/mm，断裂发生铝的夹持部。实验设三次重复。铝和陶瓷连接界面的强度大于10.8N/mm。
实施例3、除了将合金改为Al-12wt％Si-0.5wt％Mg合金，上、下氮气流量降为10升/分之外，其余与实施例1相同。陶瓷与铝的连接界面无缺陷，撕裂强度测试断裂发生在铝的夹持部。实验设三次重复，界面连接强度大于9.7N/mm。
实施例4、除了将氧化铝陶瓷改为氮化铝陶瓷之外，其余与实施例1相同。金相试样观察表明，铝板紧密地连接在陶瓷板之上，界面未发现未连接之处。撕裂强度试验样品断裂发生铝的夹持部。实验设三次重复，铝和陶瓷连接界面的强度大于9.5N/mm。
同样，虽然本发明的实施例仅采用纯铝作为实验材料，但纯铝和铝合金的钎焊并无本质区别，因此该方法同样可以用于其它铝合金部件或材料的钎焊，唯一的限制是所述铝合金部件或材料的熔化温度必须高于铝合金焊料的熔化温度。
Claims (3)
1.一种连接陶瓷和铝或铝合金的方法，其特征在于该方法使用陶瓷表面金属化连接装置，首先使陶瓷的连接面上形成铝合金1液膜，然后在铝合金1液膜上放置纯铝或铝合金2，以所述铝合金1液膜为钎料，将陶瓷与纯铝或铝合金2钎焊在一起；
所述钎焊的温度高于所述铝合金1的熔化温度但低于所述纯铝的熔点，或所述钎焊的温度高于所述铝合金1的熔化温度但低于所述铝合金2的熔化温度；
所述的陶瓷表面金属化连接装置由炉体(1)、炉盖(2)、石墨坩埚(3)、下部金属电阻丝加热体(4)、石墨导轨(5)、下部氮气导入口(6)、导轨窗口(8)、铝带导入口(10)、导轮(11)、驱动轮(12)、钎焊后的工件导出口(14)、上部金属电阻丝加热体(15)、上部氮气导入口(17)组成；陶瓷与铝的连接体标记为(13)；石墨坩埚设在炉体内下方，下部金属电阻丝加热体设于石墨坩埚四周，石墨坩埚底部和炉体底部设有与导轨相匹配的开口，两个开口同轴；石墨导轨通过开口穿设于石墨坩埚和炉体之间，并分别与它们固定连接；石墨导轨为两平行板，其内部设有供陶瓷板通行的凹槽，并且在其位于坩埚内部的位置设有窗口(8)，以使坩埚中的铝合金溶液(9)和导轨中的陶瓷板(7)接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使陶瓷连接面上形成铝合金1液膜的步骤如下：将所述陶瓷的连接面浸入所述铝合金1熔液中，并使其相对熔液运动和/或使其在熔液中静置，以使熔液润湿陶瓷的连接面，再将陶瓷的连接面移出熔液，使陶瓷的连接面上粘附铝合金1液膜。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述铝合金1是铝硅二元合金或铝-硅-镁三元合金；所述的铝合金2是任何商用铝合金；所述的陶瓷是氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷。
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