CN104669719A - 一种陶瓷-金属复合体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷-金属复合体，包括陶瓷层和镁金属层，陶瓷层与镁金属层之间在不经过中间结合层的情况下直接结合；其中，镁金属层的镁含量≥80wt.％，陶瓷层是氧化锆或氧化铝。该陶瓷-金属复合体的制备方法为：将陶瓷与镁金属在惰性气体的保护下，在420℃以上的温度下，施加0.1MPa以上的压力使陶瓷与镁金属相互接触，在接触时镁金属保持熔融的状态。本发明所得到的陶瓷-金属复合体，具有高强度和高热稳定性，可以用在钟表、电子器材等的外壳材料上。

Description

一种陶瓷-金属复合体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷-金属复合体，尤其涉及一种不经过中间结合层而直接结合的陶瓷-金属复合体。本发明还涉及该陶瓷-金属复合体的制备方法。
背景技术
陶瓷材料具有优异的强度、抗磨性、耐腐蚀性、耐热性，可以作为各种结构材料用在电子、机械设备的外壳上。但是，陶瓷材料的缺点在于脆性和由其导致的低强度可靠性。因此，现有技术中常常采用制备陶瓷-金属复合体，通过在陶瓷材料上结合一层金属层来解决这一问题。目前常见的陶瓷材料与金属材料的结合方法，包括结合剂结合法、钎焊法、金属化法、扩散结合法等。
采用有机结合剂或无机结合剂使陶瓷材料与金属材料结合的方法是最常见的，但是其问题在于结合层的结合强度低、且缺乏耐热性。
钎焊法是一种较先进的方法，钎焊法使用焊材进行结合，所采用的焊材通常是在金属焊接领域中使用的各种焊材。钎焊法所用的焊材的价格往往较高，而且钎焊法需要在高温、真空下进行，造成钎焊法的成本高、使用范围有限。而且，焊材中一般添加了非金属物质，以与金属材料形成低熔点的共晶合金，这样造成了陶瓷材料的硬度大于金属材料导致的破坏，以及陶瓷-金属复合体的热稳定性不良。
金属化法是使用金属粉末在陶瓷表面涂覆后再烧结，从而在陶瓷材料上形成金属层。所形成的金属层的厚度是几微米-几十微米，该金属层仅仅是薄薄的一层，且致密度较低，用途有限。
扩散结合法的一个例子是Ti与ZrO2的扩散结合，其对工艺条件的要求是高温，以及所结合的基材具有高平整度。而且，所形成的扩散结合体是由于Ti在ZrO2中的扩散形成了中间化合物才实现的结合。而在对强度要求较高的场合，中间化合物的存在是破裂缺陷的来源，因此人们期望尽量降低甚至不存在中间化合物，但这一点在扩散结合法中是极难实现的。
因此，本发明提供了一种新的陶瓷材料与金属材料的结合方法，通过该结合方法制备的陶瓷-金属复合体，不存在中间层，而且具有高强度和高热稳定性。
发明内容
本发明的技术方案的陶瓷-金属复合体，包括陶瓷层和镁金属层，陶瓷层与镁金属层之间在不经过中间结合层的情况下直接结合；其中，镁金属层的镁含量≥80％，陶瓷层是氧化锆或氧化铝。
在本发明的技术方案中，镁金属层的镁含量优选≥90wt.％。镁金属可以是纯镁，也可以是合金形式的，其它成分可以为铝、锰、锌等元素。
在本发明的技术方案中，陶瓷材料可以选用含钇元素的氧化锆，氧化铝，莫来石，二氧化硅等，优选的陶瓷材料是不会与镁金属形成中间产物的氧化物陶瓷。从强度和耐磨性的方面考虑，氧化铝、氧化锆陶瓷材料为好。
而且，在不影响结合的情况下，还可以在陶瓷材料中加入着色剂。着色剂一般是无机染料，如钴、锰、锌和过渡金属的氧化物，优选白色二氧化钛。
在本发明的技术方案中，可以制备各种形状的陶瓷-金属复合体，如圆盘形、板状、管状、环状等。
该陶瓷-金属复合体的制备方法为：将陶瓷与镁金属在惰性气体的保护下，在420℃以上的温度下，施加0.1MPa以上的压力使陶瓷与镁金属相互接触，在接触时镁金属保持熔融的状态。
陶瓷材料由二氧化锆粉末、氧化铝粉末或其混合粉末制成，先成型再烧结。而且，为了提高陶瓷材料与镁金属的结合强度，优选陶瓷材料的表面是平面，更优选对其进行镜面抛光处理。
镁金属层的镁含量≥80wt.％，优选≥90wt.％。镁金属可以是纯镁，也可以是合金形式的，其它成分可以为铝、锰、锌等元素。一种镁金属的组成为：镁9.01wt.％，铝0.9wt.％，锌9wt.％。对镁金属的表面进行经研磨或化学处理，形成粗糙表面。
将陶瓷材料层与镁金属层放入热压机的模具中使其彼此相接触，模具的材料与镁金属不发生反应(例如不锈钢)。结合的温度在420℃以上，如500-800℃，保持30-60min，或者550-600℃，保持30-40min。结合的压力为0.1MPa以上，这样可以保证陶瓷层与镁金属层的充分接触，得到高结合强度的陶瓷-金属复合体。结合的压力优选0.5-1.5MPa。
结合时采用的惰性气氛不含氧气，也不与镁金属反应，所采用的如氦气、氩气等，也可采用真空。而且，还可以采用六氟化硫等抑制镁金属的剧烈氧化。
本发明所得到的陶瓷-金属复合体，具有高强度和高热稳定性，可以用在钟表、电子器材等的外壳材料上。
附图说明
图1是实施例1的陶瓷-金属复合体的结合面的金相图。
具体实施方式
实施例1
以粉末形式的20wt.％Al2O3与80wt.％ZrO2相混合，外加3mol％的Y2O3粉末，在50MPa的压力下预成型，然后在200MPa的压力下采用冷等静压工艺成型成片体。将成型体在1500℃下烧结2小时，随炉冷却后取出，经镜面抛光得到陶瓷层。
将组成为镁90.1wt.％，铝0.9wt.％，锌9wt.％的镁金属制成片状，得到镁金属层。将镁金属层与陶瓷层直接接触，在氩气气氛下在600℃、30min、1.5MPa的压力下结合，得到具有良好结合状态的陶瓷-金属复合体。
实施例2
采用与实施例1相同的工艺制成ZrO2陶瓷层和镁金属层，在450℃、30分钟的条件下制备陶瓷-金属复合体，其它条件与实施例1相同。得到了具有良好结合状态的陶瓷-金属复合体。
实施例3
使用Al2O3作为陶瓷层材料，其它工艺条件与实施例1相同。将Al2O3陶瓷层与镁金属层相结合，得到了具有良好结合状态的陶瓷-金属复合体。
采用三点弯曲法测试陶瓷-金属复合体的结合强度、断裂韧性和热膨胀率，结果如表1所示：
表1

Claims (5)

1.一种陶瓷-金属复合体，包括陶瓷层和镁金属层，其特征在于，陶瓷层与镁金属层之间在不经过中间结合层的情况下直接结合；其中，镁金属层的镁含量≥80wt.％，陶瓷层优选是氧化锆或氧化铝。
2.如权利要求1的陶瓷-金属复合体，其特征在于：镁金属层的组成为镁9.01wt.％，铝0.9wt.％，锌9wt.％。
3.如权利要求1的陶瓷-金属复合体，其特征在于：镁金属层是由纯镁(Mg>99.9wt.％)组成。
4.如权利要求1-3的陶瓷-金属复合体，其特征在于：陶瓷层的材料是氧化铝或氧化锆。
5.一种如权利要求1的陶瓷-金属复合体的制备方法，其特征在于：在热压炉中，将陶瓷与镁金属在惰性气体的保护下，在420℃以上的温度下，施加0.1MPa以上的压力使陶瓷与镁金属相互接触，在接触时镁金属保持熔融的状态。
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