CN103103621A - 一种蓝宝石拼接方法、蓝宝石窗口和粘贴浆料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种蓝宝石拼接方法、蓝宝石窗口和粘贴浆料。一种蓝宝石拼接方法，包括步骤：A、在两块蓝宝石晶体的结合面涂抹粘贴浆料，所述粘贴浆料通过有机溶剂调和粉末焊料形成；B、将两块蓝宝石晶体拼接固定；C、将拼接好的蓝宝石晶体放到真空炉中加压。本发明可以有效解决现有应用于光学窗口的蓝宝石晶片、晶块由于受人工生长的蓝宝石晶体规格所限尺寸远远不能达到很多现代光学系统的孔径要求，以达到其要求；另外，由于本发明选用了工业实践中已经十分成熟且相对成本低廉的技术相配合，从较小的熔体生长的坯料生产出大面积的蓝宝石窗口，可以大大降低连接成本。

Description

一种蓝宝石拼接方法、蓝宝石窗口和粘贴浆料
技术领域
本发明涉及宝石加工领域，更具体的说，涉及一种蓝宝石拼接方法、蓝宝石窗口和粘贴浆料。
背景技术
蓝宝石强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀、耐磨性好、摩擦系数小、电阻率高，而且还具有良好的热传导性和电气绝缘性，最关键的是蓝宝石在可见光和MWIR波段具有良好的透光性，被认为是红外军事装备，卫星光学窗口的理想材料。但现有应用于光学窗口的蓝宝石晶片、晶块由于受人工生长的蓝宝石晶体规格所限尺寸远远不能达到很多现代光学系统的孔径要求；这就需要将不同的蓝宝石进行粘贴，以达到尺寸的要求。
传统粘合剂成本较低，但不能经受住高温和高压，无法应用于蓝宝石之间的粘贴；而国际上开发的各种无粘贴剂粘贴技术，如不使用粘接剂的激光晶体的直接连接技术，虽然获得了一定的强度，但是成本代价大，获得周期长；又比如通过电子束将铌夹层沉积在要连接的蓝宝石晶体晶面上，对在相对较低的温度(900度)进行了Nb/Al2O3的扩散连接，虽获得了较高的强度，但不计成本，不计实施环境的试验性研究方法不能适用于追求成本控制，获取利润的工业化生产；再比如氩离子束表面活性技术连接蓝宝石/蓝宝石，虽有较高的连接强度，但该工艺是在室温高真空下完成的、条件苛刻，尚不适用于工业化生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本的蓝宝石拼接方法、蓝宝石窗口和粘贴浆料。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种蓝宝石拼接方法，包括步骤：
A、在两块蓝宝石晶体的结合面涂抹粘贴浆料，所述粘贴浆料通过有机溶剂调和粉末焊料形成；
B、将两块蓝宝石晶体拼接固定；
C、将拼接好的蓝宝石晶体放到真空炉中加压。
进一步，所述步骤B中包括步骤：
B1、将两块蓝宝石晶体对接装配；
B2、放入夹具中垂直放置；
B3、在垂直方向对蓝宝石晶体施压，完成两块蓝宝石晶体的拼接固定。
进一步，所述步骤C中包括：在加压过程中采取退火的方式进行降温。
进一步，所述步骤A之前还包括步骤：
A0、将蓝宝石晶体切割成对应尺寸，待拼接的蓝宝石晶体的结合面尺寸相同且相互平行；
A1、对蓝宝石的结合面进行打磨，然后抛光达到要求的表面光洁度；
A2、用丙酮对蓝宝石进行清洗，并进行超声波振动。
进一步，所述步骤A中，所述粉末焊料由Al2O3、SiO2和MgO混合形成，Al2O3、SiO2和MgO的重量比为7∶2∶1。
进一步，所述有机溶剂为乙醇。
进一步，所述步骤A之前还包括步骤：
A0、将蓝宝石晶体切割成对应尺寸，待拼接的蓝宝石晶体的结合面尺寸相同且相互平行；
A1、对蓝宝石的结合面进行打磨，然后抛光达到要求的表面光洁度；
A2、用丙酮对蓝宝石进行清洗，并进行超声波振动；
所述步骤A中，用乙醇将Al2O3、SiO2和MgO的混合粉末调至成所述粘贴浆料；Al2O3、SiO2和MgO的重量比为7∶2∶1；
所述步骤B中包括步骤：
B1、将两块蓝宝石晶体对接装配；
B2、放入夹具中垂直放置；
B3、在垂直方向对蓝宝石晶体施压，完成两块蓝宝石晶体的拼接固定；
所述步骤C中包括：在加压过程中采取退火的方式进行降温；
所述步骤C后还包括步骤D：在常温下采用四点弯曲法测定蓝宝石晶体接头的弯曲强度，并与单体的蓝宝石晶体强度进行比较，强度合格的成品入库保存。
一种采用本发明所述的蓝宝石拼接方法形成的蓝宝石窗口，其特征在于，所述蓝宝石窗口至少由两块蓝宝石晶体拼接形成，所述蓝宝石晶体之间的拼接处形成有Al、Si和Mg元素氧化物形成的组合物。
一种粘贴浆料，所述粘贴浆料由有机溶剂、Al2O3、SiO2和MgO组成，Al2O3、SiO2和MgO的重量比为7∶2∶1。
进一步，所述有机溶剂为乙醇。
本发明将粘贴浆料涂布在两块蓝宝石晶体的结合面形成接头，在连接过程中被连接蓝宝石晶体可以保持不熔化(参考玻璃钎焊法)；而粘贴浆料是由粉末焊料组成，通过热压，可以使焊料与蓝宝石晶体在界面处发生互扩散和界面反应，同时焊料本身也实现致密化，从而达到连接蓝宝石晶体的目的(参考反应烧结法)。本发明可以有效解决现有应用于光学窗口的蓝宝石晶片、晶块由于受人工生长的蓝宝石晶体规格所限尺寸远远不能达到很多现代光学系统的孔径要求，以达到其要求；另外，由于本发明选用了工业实践中已经十分成熟且相对成本低廉的技术相配合，从较小的熔体生长的坯料生产出大面积的蓝宝石窗口，可以大大降低连接成本。
附图说明
图1是本发明实施例一的方法示意图；
图2是本发明实施例二的方法示意图。
其中：1、石墨夹具；2、重物；3、蓝宝石晶体；4、粘贴浆料。
具体实施方式
本发明公开一种蓝宝石拼接方法，包括步骤：
A、在两块蓝宝石晶体的结合面涂抹粘贴浆料，粘贴浆料通过有机溶剂调和粉末焊料形成；
B、将两块蓝宝石晶体拼接固定；
C、将拼接好的蓝宝石晶体放到真空炉中加压。
本发明将粘贴浆料涂布在两块蓝宝石晶体的结合面形成接头，在连接过程中被连接蓝宝石晶体可以保持不熔化(参考玻璃钎焊法)；而粘贴浆料是由粉末焊料组成，通过热压，可以使焊料与蓝宝石晶体在界面处发生互扩散和界面反应，同时焊料本身也实现致密化，从而达到连接蓝宝石晶体的目的(参考反应烧结法)。本发明可以有效解决现有应用于光学窗口的蓝宝石晶片、晶块由于受人工生长的蓝宝石晶体规格所限尺寸远远不能达到很多现代光学系统的孔径要求，以达到其要求；另外，由于本发明选用了工业实践中已经十分成熟且相对成本低廉的技术相配合，从较小的熔体生长的坯料生产出大面积的蓝宝石窗口，可以大大降低连接成本。
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例采用玻璃钎焊法和反应烧结法两种连接工艺，进行焊料体系设计和连接工艺设计，筛选出合适的焊料体系，并取得最佳的焊料成分与连接的工艺参数；采用四点弯曲强度测试蓝宝石晶体连接接头的力学性能，分析其影响因素，获得最佳工艺参数；利用各种分析测试手段(SEM、EDS等)观察分析和蓝宝石晶体连接接头的微观形貌、接头中元素的分布情况，探讨界面连接机理；在对连接机理分析的基础上，对中间层体系和连接工艺进行优化设计，提高连接性能。
综合上述的试验和分析，发明人提供了一种低成本的蓝宝石晶体的拼接方法：
1.将人工蓝宝石晶体切割成对应尺寸，待结合面尺寸相同且可平行排列；
2.首先对结合面进行打磨，而后抛光到一定的表面光洁度；
3.用丙酮进行清洗及超声波振动。
4.用乙醇等有机溶剂将Al2O3、SiO2和MgO的混合粉末调至成粘贴浆料，然后在清洁过的结合面上均匀涂抹一层粘贴浆料。
5.将蓝宝石晶体3与粘贴浆料4对接装配好之后放到石墨夹具1中进行连接，并在连接件上放置一重物2，以保证焊接过程中蓝宝石晶体3与蓝宝石晶体3紧密压实。(如图1所示)
6.将组装好的蓝宝石连接件放入真空炉中加压，由于蓝宝石连接时易产生较大的残余应力，而蓝宝石材料又对应力集中非常敏感，因此加压过程中采取较小的冷却速度以降低接头中的残余应力。
7.在常温下采用四点弯曲法测定接头的弯曲强度，并与未连接的蓝宝石强度进行比较，合格的成品就入库保存。
实施例二
如图2所示，本实施例公开一种蓝宝石拼接方法，包括步骤：
a、将蓝宝石晶体切割成对应尺寸，待拼接的蓝宝石晶体的结合面尺寸相同且相互平行；
b、对蓝宝石的结合面进行打磨，然后抛光达到要求的表面光洁度；
c、用丙酮对蓝宝石进行清洗，并进行超声波振动；
d、在两块蓝宝石晶体的结合面涂抹粘贴浆料，用乙醇将Al2O3、SiO2和MgO的混合粉末调至成粘贴浆料；Al2O3、SiO2和MgO的重量比为7∶2∶1；
e、将两块蓝宝石晶体对接装配；
f、放入夹具中垂直放置；
g、在垂直方向对蓝宝石晶体施压，完成两块蓝宝石晶体的拼接固定；
h、将拼接好的蓝宝石晶体放到真空炉中加压；在加压过程中采取退火的方式进行降温；
i：在常温下采用四点弯曲法测定蓝宝石晶体接头的弯曲强度，并与单体的蓝宝石晶体强度进行比较，强度合格的成品入库保存。
实施例三
本实施例公开一种粘贴浆料，粘贴浆料由乙醇等有机溶剂混合Al2O3、SiO2和MgO组成，该粘贴浆料可用于蓝宝石之间拼接固定。
实施例四
本实施例公开一种采用本发明的蓝宝石拼接方法形成的蓝宝石窗口，蓝宝石窗口至少由两块蓝宝石晶体拼接形成，蓝宝石晶体之间的拼接处形成有Al、Si和Mg元素氧化物形成的组合物。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蓝宝石拼接方法，包括步骤：
A、在两块蓝宝石晶体的结合面涂抹粘贴浆料，所述粘贴浆料通过有机溶剂调和粉末焊料形成；
B、将两块蓝宝石晶体拼接固定；
C、将拼接好的蓝宝石晶体放到真空炉中加压。
2.如权利要求1所述的一种蓝宝石拼接方法，其特征在于，所述步骤B中包括步骤：
B1、将两块蓝宝石晶体对接装配；
B2、放入夹具中垂直放置；
B3、在垂直方向对蓝宝石晶体施压，完成两块蓝宝石晶体的拼接固定。
3.如权利要求1所述的一种蓝宝石拼接方法，其特征在于，所述步骤C中包括：在加压过程中采取退火的方式进行降温。
4.如权利要求1所述的一种蓝宝石拼接方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括步骤：
A0、将蓝宝石晶体切割成对应尺寸，待拼接的蓝宝石晶体的结合面尺寸相同且相互平行；
A1、对蓝宝石的结合面进行打磨，然后抛光达到要求的表面光洁度；
A2、用丙酮对蓝宝石进行清洗，并进行超声波振动。
5.如权利要求1～4任一所述的一种蓝宝石拼接方法，其特征在于，所述步骤A中，所述粉末焊料由Al2O3、SiO2和MgO混合形成，Al2O3、SiO2和MgO的重量比为7∶2∶1。
6.如权利要求5所述的一种蓝宝石拼接方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇。
7.如权利要求1所述的一种蓝宝石拼接方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括步骤：
A0、将蓝宝石晶体切割成对应尺寸，待拼接的蓝宝石晶体的结合面尺寸相同且相互平行；
A1、对蓝宝石的结合面进行打磨，然后抛光达到要求的表面光洁度；
A2、用丙酮对蓝宝石进行清洗，并进行超声波振动；
所述步骤A中，用乙醇将Al2O3、SiO2和MgO的混合粉末调至成所述粘贴浆料；Al2O3、SiO2和MgO的重量比为7∶2∶1；
所述步骤B中包括步骤：
B1、将两块蓝宝石晶体对接装配；
B2、放入夹具中垂直放置；
B3、在垂直方向对蓝宝石晶体施压，完成两块蓝宝石晶体的拼接固定；
所述步骤C中包括：在加压过程中采取退火的方式进行降温；
所述步骤C后还包括步骤D：在常温下采用四点弯曲法测定蓝宝石晶体接头的弯曲强度，并与单体的蓝宝石晶体强度进行比较，强度合格的成品入库保存。
8.一种采用如权利要求1～7任一所述的蓝宝石拼接方法形成的蓝宝石窗口，其特征在于，所述蓝宝石窗口至少由两块蓝宝石晶体拼接形成，所述蓝宝石晶体之间的拼接处形成有Al、Si和Mg元素氧化物形成的组合物。
9.一种粘贴浆料，其特征在于，所述粘贴浆料由有机溶剂、Al2O3、SiO2和MgO组成，Al2O3、SiO2和MgO的重量比为7∶2∶1。
10.如权利要求9所述的一种粘贴浆料，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇。
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