CN102603345A - 一种采用高温中间层材料进行陶瓷材料快速连接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于陶瓷材料连接技术领域，提供了一种采用高温中间层材料进行陶瓷材料快速连接的方法，采用Ti₃SiC₂系列材料作为高温中间层材料，将中间层原料和陶瓷材料按照陶瓷材料、中间层原料、陶瓷材料方式装配入石墨模具，采用放电等离子烧结技术实现陶瓷材料的原位反应快速连接，在连接碳化硅陶瓷时，取得了良好的连接效果，高温中间层材料可以用来直接连接陶瓷材料及陶瓷基复合材料，不需要在连接前对陶瓷材料表面进行表面预镀膜或其它改性处理，采用此高温中间层材料连接的陶瓷材料，连接强度高且高温性能稳定。采用此连接方法，可以实现Ti₃SiC₂系列中间层材料合成与陶瓷材料连接一步完成，连接工艺简便、快速、易操作。

Description

一种采用高温中间层材料进行陶瓷材料快速连接的方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料连接技术领域，尤其涉及一种采用高温中间层材料进行陶瓷材料快速连接的方法。

背景技术

先进结构陶瓷如：氮化硅、碳化硅、氧化锆、氧化铝、六方氮化硼，因其优良的高温力学性能、低热膨胀系数、高导热率、良好的抗热冲击性及比重轻，只有一般金属的三分之一，被广泛应用于各种苛刻的高温环境。但由于陶瓷材料结构上的特点，如断裂韧性较低，强度分散性大，使用可靠性差，加工性差，这些缺点限制了它们的发展和应用。具体表现在两方面：首先，大块陶瓷材料的固有缺陷，如气孔、微裂纹等难以消除且分布不均匀，导致强度分散；相对而言，小块陶瓷制造容易，更容易获得良好的力学性能。其次，由于陶瓷材料的本征脆性和不可变形性，当制造形状复杂的陶瓷零部件时易在其尖角处产生应力集中，而又不能通过塑性变形加以转移和松弛，导致陶瓷破裂。由此使得先进陶瓷材料的工程应用在很大程度上受到限制。在实际应用时，为了克服其脆性及难加工等问题，常常需要连接后使用。同时，利用连接技术可以将形状简单的小部件连接为形状复杂的大部件，从而克服陶瓷材料难以加工的缺点。另外，利用连接技术可以很容易地对零部件进行修复从而提高陶瓷结构的可靠性和使用寿命。由于这几方面的原因使得陶瓷连接成为先进结构陶瓷材料实用化、工程化，从而推动先进陶瓷材料更广泛应用的一项十分必要的技术。

目前得到较好应用的是在受力较小的电真空器件以及受力虽然较大但使用温度不高的场合。用公认的最成熟的钎料Ag-Cu-Ti(3-7wtTi)钎焊Si₃N₄-Si₃N₄陶瓷，室温接头四点弯曲强度可达到789MPa。

但是Ag-Cu-Ti钎料抗氧化性差，用它钎焊的接头不能用于450℃以上的环境，因此制约了先进结构陶瓷高温性能的发挥。

国内外最近十多年以来在研究陶瓷连接用的新型高温钎料中，采用的方式有：(1)采用高熔点的贵金属作为钎料。J H.Selrverian等人在使用Au-Pd-Ni钎焊Si₃N₄陶瓷和Ni时，分别在陶瓷表面上镀Ti、Zr或Hf，发现镀Ti时钎料的润湿性最好，抗剪切强度最高，室温下为75-100MPa，500℃时抗剪切强度为85-105MPa，而贵金属钎料的价格比较昂贵，实际生产中难以推广。

采用CuNiTiB急冷钎料来连接Si₃N₄陶瓷，研究发现经急冷处理的Cu-(5-25)Ni-(16-28)TiB钎料的组织比未经急冷处理的钎料更均匀，有利于提高Si₃N₄/Si₃N₄接头的强度。

采用非晶中间层。非晶态钎料也是目前陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属钎焊领域一个重要的研究方向。Naka研究了3种成分的Cu-Ti非晶态钎料连接Si₃N₄陶瓷，接头室温剪切强度最高为313MPa。

然而采用金属材料作为中间层还是存在很多的缺点：(1)陶瓷与金属的界面处不容易产生良好的接合。一方面是由于这两种材料的晶格类型不同，金属材料系金属键，而SiC陶瓷材料系共价键；另一方面，陶瓷材料化学稳定性好，通常金属对陶瓷材料的润湿性较差，即两种材料的相容性较差。(2)陶瓷和金属的热膨胀系数相差很大，造成了连接后接头中的残余应力过高；(3)金属中间层抗氧化性、抗腐蚀性较差，用它们连接的接头不适用于复杂的高温环境；(4)金属中间层连接陶瓷材料时在界面反应过程中容易形成脆性化合物，影响连接件性能。

综上所述，目前国内外还缺乏可直接用于先进结构陶瓷连接且接头在高温下具有稳定高温性能的实用高温中间层材料及连接技术。

发明内容

本发明提供了一种采用高温中间层材料进行陶瓷材料快速连接的方法，旨在解决目前国内外还缺乏可直接用于陶瓷材料连接且在高温下具有稳定高温性能的高温中间层材料及陶瓷材料连接技术的问题。

本发明的目的在于提供一种采用高温中间层材料进行陶瓷材料快速连接的方法，该方法包括以下步骤：

选择一定中间层原料，按照一定配比称量好；

将配比好的中间层原料进行球磨和烘干处理；

将干燥后的中间层原料及陶瓷材料按照陶瓷材料、中间层原料、陶瓷材料的顺序装配入石墨模具；

采用放电等离子烧结技术对陶瓷材料进行原位反应连接；

将连接后的陶瓷材料冷却至室温。

进一步，所述高温中间层材料为Ti₃SiC₂系列材料，选用的原料成分及重量百分比组成为：Ti：68-78％，Si：14-70％，C：12-13％，TiC：30-90％，SiC：22-40％。

进一步，所述选用的制备高温中间层材料的原料成分及重量百分比可选用的组合有：

1)Ti：68-78％，Si：14-20％，C：12-13％；

2)TiC：30-90％，Si：14-70％；

3)Ti：68-78％，SiC：22-40％。

进一步，所述将配比好中间层原料进行球磨及烘干处理的实现方法为：

将配比好的中间层原料进行放入行星式高能球磨机中，采用三种研磨ZrO₂球进行级配，球料比为20∶1；

球磨过程采用无水乙醇为球磨介质，与中间层原料配比为1∶1，对样品进行24-48h连续高能球磨；

将球磨后的含乙醇的中间层原料取出，放入真空干燥箱内，在60-80℃下干燥24h。

进一步，所述中间层原料及陶瓷材料装配入石墨模具的顺序为：

首先放入一个陶瓷材料，然后将中间层原料粉末均匀平铺于陶瓷材料被连接表面，最后放入另一个陶瓷材料。

进一步，所述采用放电等离子烧结技术对陶瓷材料进行原位反应连接的实现方法为：

将装配中间层原料及陶瓷材料的石墨模具放入放电等离子烧结炉中；

采用放电等离子烧结技术，以50-100℃/min升温速率升至1100-1400℃，烧结时间10min，施加20-40MPa压强。

进一步，所述采用放电等离子烧结技术对陶瓷材料进行原位反应连接的过程中需要通入氩气。

进一步，所述方法中的放电等离子烧结技术可由高温烧结替代。

本发明提供的采用高温中间层材料进行陶瓷连接的方法，采用Ti₃SiC₂系列材料作为高温中间层材料，将中间层原料和陶瓷材料按照陶瓷材料、中间层原料、陶瓷材料方式装配入石墨模具，采用放电等离子烧结技术实现陶瓷材料的快速连接，在连接碳化硅陶瓷时，取得了良好的连接效果，高温中间层材料可以用来直接连接陶瓷材料及陶瓷基复合材料，不需要在连接前对陶瓷材料表面进行表面预镀膜或其它改性处理，采用此高温中间层材料连接的陶瓷材料，连接强度高且高温性能稳定。

附图说明

图1是本发明实施例提供的采用高温中间层材料进行陶瓷材料快速连接的方法的实现流程图。

图2本发明实施例提供的将配比好中间层原料进行球磨及烘干处理的实现方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

图1示出了本发明实施例提供的采用高温中间层材料进行陶瓷材料快速连接的方法的实现流程。

该方法包括以下步骤：

在步骤S101中，选择一定中间层原料，按照一定配比称量好；

在步骤S102中，将配比好的中间层原料进行球磨和烘干处理；

在步骤S103中，将干燥后的中间层原料及陶瓷材料按照陶瓷材料、中间层原料、陶瓷材料的顺序装配入石墨模具；

在步骤S104中，采用放电等离子烧结技术对陶瓷材料进行原位反应连接；

在步骤S105中，将连接后的陶瓷材料冷却至室温。

在本发明实施例中，高温中间层材料为Ti₃SiC₂系列材料，选用的原料成分及重量百分比组成为：Ti：68-78％，Si：14-70％，C：12-13％，TiC：30-90％，SiC：22-40％。

在本发明实施例中，选用的制备高温中间层材料的原料成分及重量百分比可选用的组合有：

1、Ti：68-78％，Si：14-20％，C：12-13％；

2、TiC：30-90％，Si：14-70％；

3、Ti：68-78％，SiC：22-40％。

在本发明实施例中，将配比好中间层原料进行球磨及烘干处理的实现方法为：

在步骤S201中，将配比好的中间层原料进行放入行星式高能球磨机中，采用三种研磨ZrO₂球进行级配，球料比为20∶1；

在步骤S202中，球磨过程采用无水乙醇为球磨介质，与中间层原料配比为1∶1，对样品进行24-48h连续高能球磨；

在步骤S203中，将球磨后的含乙醇的中间层原料取出，放入真空干燥箱内，在60-80℃下干燥24h。

在本发明实施例中，中间层原料及陶瓷材料装配入石墨模具的顺序为：首先放入一个陶瓷材料，然后将中间层原料粉末均匀平铺于陶瓷材料被连接表面，最后放入另一个陶瓷材料。

在本发明实施例中，采用放电等离子烧结技术对陶瓷材料进行原位反应连接的实现方法为：

将装配中间层原料及陶瓷材料的石墨模具放入放电等离子烧结炉中；

采用放电等离子烧结技术，以50-100℃/min升温速率升至1100-1400℃，烧结时间10min，施加20-40MPa压强。

在本发明实施例中，采用放电等离子烧结技术对陶瓷材料进行快速连接的过程中需要通入氩气。

在本发明实施例中，方法中的放电等离子烧结技术可由高温烧结替代。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明实施提供的用于先进结构陶瓷及陶瓷基复合材料连接的高温中间层材料，其中高温中间层材料为Ti₃SiC₂体系；可选用的成分及重量百分比组成为：Ti：68-78％，Si：14-70％，C：12-13％，TiC：30-90％，SiC：22-40％，根据上述总的技术方案的要求，可以进一步提出以下多种重量百分比组成：

1、Ti：68-78％，Si：14-20％，C：12-13％；

2、TiC：30-90％，Si：14-70％；

3、Ti：68-78％，SiC：22-40％。

如图1所示，合成高温中间层材料并同时实现陶瓷材料原位反应快速连接的方法是：将配比好的中间层原料加无水乙醇球磨24-48h后，用干燥箱在60-80℃下烘干，将中间层原料和陶瓷材料按照陶瓷材料/中间层原料/陶瓷材料方式装配入石墨模具，连同模具一起放入放电等离子烧结炉中，采用放电等离子烧结技术，以50-100℃/min升温速率升至1100-1400℃，烧结时间10min，施加20-40MPa压强，并在烧结过程中通氩气，然后再随炉冷却至室温。

本发明实施例提供的用于先进结构陶瓷及陶瓷基复合材料连接的高温中间层材料，其中高温中间层材料为Ti₃SiC₂体系；可选用的成分及重量百分比组成为：Ti：68-78％，Si：14-70％，C：12-13％，TiC：30-90％，SiC：22-40％，根据上述总的技术方案的要求，可以进一步提出以下多种重量百分比组成：

1、Ti：68-78％，Si：14-20％，C：12-13％；

2、TiC：30-90％，Si：14-70％；

3、Ti：68-78％，SiC：22-40％。

如图1所示，合成高温中间层材料并同时实现陶瓷材料原位反应快速连接的方法是：将配比好的中间层原料加无水乙醇球磨24-48h后，用干燥箱在60-80℃下烘干，将中间层原料和陶瓷材料按照陶瓷材料/中间层原料/陶瓷材料方式装配入石墨模具，连同模具一起放入热压炉中，采用高温高压烧结技术，以10-20℃/min升温速率升至1200-1600℃，烧结时间60min，施加20-40MPa压强，并在烧结过程中通氩气，然后再随炉冷却至室温。

本发明实施例提供的采用高温中间层材料进行陶瓷材料快速连接的方法，采用Ti₃SiC₂系列材料作为高温中间层材料，将中间层原料和陶瓷材料按照陶瓷材料、中间层原料、陶瓷材料方式装配入石墨模具，采用放电等离子烧结技术实现陶瓷材料的原位反应快速连接，在连接碳化硅陶瓷时，取得了良好的连接效果，高温中间层材料可以用来直接连接陶瓷材料及陶瓷基复合材料，不需要在连接前对陶瓷材料表面进行表面预镀膜或其它改性处理，采用此高温中间层材料连接的陶瓷材料，连接强度高且高温性能稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用高温中间层材料进行陶瓷材料快速连接的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

选择一定中间层原料，按照一定配比称量好；

将配比好的中间层原料进行球磨和烘干处理；

将干燥后的中间层原料及陶瓷材料按照陶瓷材料、中间层原料、陶瓷材料的顺序装配入石墨模具；

采用放电等离子烧结技术对陶瓷材料进行原位反应连接；

将连接后的陶瓷材料冷却至室温。

2.如权力要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温中间层材料为Ti₃SiC₂系列材料，选用的原料成分及重量百分比组成为：Ti：68-78％，Si：14-70％，C：12-13％，TiC：30-90％，SiC：22-40％。

3.如权力要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述选用的制备高温中间层材料的原料成分及重量百分比可选用的组合有：

1)Ti：68-78％，Si：14-20％，C：12-13％；

2)TiC：30-90％，Si：14-70％；

3)Ti：68-78％，SiC：22-40％。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将配比好中间层原料进行球磨及烘干处理的实现方法为：

将配比好的中间层原料进行放入行星式高能球磨机中，采用三种研磨ZrO₂球进行级配，球料比为20∶1；

球磨过程采用无水乙醇为球磨介质，与中间层原料配比为1∶1，对样品进行24-48h连续高能球磨；

将球磨后的含乙醇的中间层原料取出，放入真空干燥箱内，在60-80℃下干燥24h。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间层原料及陶瓷材料装配入石墨模具的顺序为：

首先放入一个陶瓷材料，然后将中间层原料粉末均匀平铺于陶瓷材料被连接表面，最后放入另一个陶瓷材料。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用放电等离子烧结技术对陶瓷材料进行原位反应连接的实现方法为：

将装配中间层原料及陶瓷材料的石墨模具放入放电等离子烧结炉中；

采用放电等离子烧结技术，以50-100℃/min升温速率升至1100-1400℃，烧结时间10min，施加20-40MPa压强。

7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述采用放电等离子烧结技术对陶瓷材料进行原位反应连接的过程中需要通入氩气。

8.如权力要求1或6所述的方法，其特征在于，所述方法中的放电等离子烧结技术可由高温烧结替代。

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