CN112338346B - 一种采用瞬间液相扩散焊连接蓝宝石的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用瞬间液相扩散焊连接蓝宝石的方法，包括以下步骤：步骤一：将打磨完成后的两块蓝宝石晶片的焊接面按面对面对接的方式，从上下两侧装配到夹具中，并在焊接面的中间均匀的铺设一层偏硼酸钡粉末；步骤二：从正上方向待焊接的两块蓝宝石晶片施加压力，在维持压力的前提下对蓝宝石进行加热直至偏硼酸钡粉末完全熔化，加热的温度高于偏硼酸钡的熔点温度，低于蓝宝石的熔点温度；步骤三：停止加热，进行保温处理，同时提高所施加的压力；步骤四：待保温处理结束后，移除压力，将连接好的晶片缓慢冷却至30℃以下。

Description

一种采用瞬间液相扩散焊连接蓝宝石的方法
技术领域
本发明属于蓝宝石制造领域，具体涉及一种采用瞬间液相扩散焊连接蓝宝石的方法。
背景技术
蓝宝石主要由α-Al2O3构成，具有高硬度、高熔沸点、高耐磨性等优点。同时由于其透光性好，透射光散射率低，已被广泛应用在医疗器械、航空航天、军事工业等领域，比如用于制作航空器材观察窗口和装甲车观察窗。同时相关领域对大尺寸蓝宝石晶片的需求与日俱增。
目前，人工蓝宝石的制作方法有提拉法、泡生法、热交换法等。其中最主流的提拉法，在现有技术条件下晶坯生长直径极限仅350mm左右。切片加工后晶片产品直径常仅20mm。远不足以满足上述领域对蓝宝石晶片的尺寸需求。为解决这一问题，需要提出一种可以将多块蓝宝石晶片连接起来的方法。
现有的连接蓝宝石晶片的方法有三大类：浆液粘接法、扩散焊法、钎焊法。浆液粘接法并没有实现晶片之间原子层面的结合，因而可靠性差，满足不了高端场合的应用需求。扩散焊方法需要施加非常高的温度和压力，对夹具耐高温性能和加热冷却方法都提出了相当高的要求，不适于民资企业的批量制作。钎焊方法虽不需要施加过高的温度或压力，但绝大部分用现有方法制作而成的焊接接头有不透明的缺点，相当影响产品外观，且不能应用于光学仪器。
发明内容
针对蓝宝石焊接所存在的问题，本发明提出一种采用瞬间液相扩散焊连接蓝宝石的方法。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种采用瞬间液相扩散焊连接蓝宝石的方法，包括以下步骤：
步骤一：将打磨完成后的两块蓝宝石晶片的焊接面按面对面对接的方式，从上下两侧装配到夹具中，并在焊接面的中间均匀的铺设一层偏硼酸钡粉末；
步骤二：从正上方向待焊接的两块蓝宝石晶片施加压力，在维持压力的前提下对蓝宝石进行加热直至偏硼酸钡粉末完全熔化，加热的温度高于偏硼酸钡的熔点温度，低于蓝宝石的熔点温度；
步骤三：停止加热，进行保温处理，同时提高所施加的压力；
步骤四：待保温处理结束后，移除压力，将连接好的晶片缓慢冷却至30℃以下。
作为本发明的进一步改进，步骤一中，所述的蓝宝石晶片选用（001）的晶面作为焊接面，还包括或不包括对焊接面进行抛光处理，抛光处理后，所述焊接面的表面粗糙度为1nm-5um。
作为本发明的进一步改进，步骤一中，所述的偏硼酸钡粉末按5-50mg/mm2的量铺设在焊接面上。
作为本发明的进一步改进，步骤二中，所述施加的压力为0.005-0.05 MPa。
作为本发明的进一步改进，步骤二中，加热的温度为1300-1800℃。
作为本发明的进一步改进，步骤三中，所述的保温处理中，所述采用的保温温度为1200-1300℃，保温时间为0.1-5小时。
作为本发明的进一步改进，步骤三中，所采用的压力为0.01-0.05MPa。
作为本发明的进一步改进，步骤四中，控制晶片按3-10℃/min的降温速度进行降温。
本发明的有益效果：本发明采用偏硼酸钡液相扩散的方式连接蓝宝石，采用这种方法，在连接过程中无需施加过高温度、过高压力就能实现蓝宝石原子层面上结合的方法，且制得的焊接件的结构成分均匀，并展现出优良的光学和力学性能，能够拓宽蓝宝石晶片的应用领域。
附图说明
图1为本发明加工过程时，蓝宝石晶体放置在夹具中的结构示意图；
图2为图1的左视图；
图3为对蓝宝石焊接件进行力学性能测试的示意图；
图4为在1250℃下在不同保温时间所获得蓝宝石在焊接面的剪切强度数据；
图5为对蓝宝石焊接件进行光学性能测试的结构示意图；
图6为选用在1250℃下保温4h所获得蓝宝石测试的光学性能数据；
其中：1-蓝宝石晶体，2-偏硼酸钡焊接层，3-夹具，4-螺孔。
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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
一、实施方法
本发明中采用瞬间液相扩散焊连接蓝宝石的方法的具体步骤如下：
步骤一，根据目标光学件的尺寸需求，选用两块合适尺寸的蓝宝石晶体1根据所加工的光学件的尺寸对蓝宝石晶体1进行打磨，同时打磨选用（001）的晶面作为焊接面，将焊接面打磨成相同的尺寸。打磨完成后，将两块蓝宝石晶片的焊接面按面对面对接的方式，从上下两侧装配到夹具3的固定腔中，对接时同时在焊接面的中间均匀的铺设一层偏硼酸钡粉末，形成一层偏硼酸钡焊接层2。如图1所示，该夹具3的固定腔水平横截面与蓝宝石晶体1焊接面的尺寸相当，深度大于放置在下方的蓝宝石晶片的高度。待蓝宝石晶体1放置在固定腔中后，若蓝宝石晶片与夹具3间隙过大，则通过夹具3上安装在侧面的螺孔4加装螺钉予以调节。
在该步骤中，由于对焊接面的表面粗糙度的要求宽，在1nm-5um的范围内均可，因此本发明中焊接面的通常情况下是不需要抛光处理的。
另外该步骤中，所述的偏硼酸钡粉末是按5-50mg/mm2的量铺设在焊接面上，
步骤二：如图1所示，从正上方向待焊接的蓝宝石晶片向下施加压力，从而使晶片、偏硼酸钡粉末紧密接触。之后在在维持压力的前提下对蓝宝石进行加热直至偏硼酸钡粉末完全熔化，所选用的加热的温度应高于偏硼酸钡的熔点温度，低于蓝宝石的熔点温度；在本发明中，优选的加热的温度为1300-1800℃。
步骤三：停止加热，进行保温处理，同时提高所施加的压力。具体的，所述采用的保温温度为1300-1800℃，保温时间为5-30min。该保温处理是为了使偏硼酸钡向两侧母材充分扩散，获得成分、结构均匀的焊接接头。
由于蓝宝石的材质脆性大，因此步骤二和步骤三中所选用的压力都不宜过大，以避免压碎蓝宝石。在步骤二中，所采用的压力为0.005-0.05MPa；在步骤三中，所采用的压力为0.01-0.05MPa。
步骤四：待保温处理结束后，移除压力，将连接好的晶片按3-10℃/min的降温速度缓慢冷却至30℃以下。该步骤中，冷却的速度不宜过快，以避免冷却速度过大造成蓝宝石碎裂。
二、性能测试：
采用如图3所示的方式对蓝宝石连接件的焊接面的力学性能进行测试，直到蓝宝石接头发生破坏。所获得焊接面的剪切强度数据如图4所示。由图4所示的结构可以看出，采用本方法所制作的蓝宝石，在焊接面的位置剪切强度较高都超过了45MPa，最高可达55-60MPa。且整体上随着保温时间的增加而增强，但在保温四小时后强度的提高不再明显。
焊接件的光学性能测试如图5所示，将蓝宝石接头置于分光光度计中，其中焊接面垂直于光路。试验光波长范围为200-900纳米，以步长为1nm的间隔，测量此范围内焊接件在各个波长上的透光率。所测试的透光率数据如图6所示，在200-400nm波长范围内，连接结构的吸收强度较大，透过率较低，但在400-800nm（可见光）范围内，其透过率较高，约为75%左右，不影响该方法所获得蓝宝石作为观察窗用的光学器件的使用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种采用瞬间液相扩散焊连接蓝宝石的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将打磨完成后的两块蓝宝石晶片的焊接面按面对面对接的方式，从上下两侧装配到夹具中，并在焊接面的中间均匀的铺设一层偏硼酸钡粉末；所述的蓝宝石晶片选用（001）的晶面作为焊接面，还包括或不包括对焊接面进行抛光处理，抛光处理后，所述焊接面的表面粗糙度为1nm-5um；所述的偏硼酸钡粉末按5-50mg/mm2的量铺设在焊接面上；
步骤二：从正上方向待焊接的两块蓝宝石晶片施加压力，施加的压力为0.005-0.05MPa，在维持压力的前提下对蓝宝石进行加热直至偏硼酸钡粉末完全熔化，加热的温度高于偏硼酸钡的熔点温度，低于蓝宝石的熔点温度；加热的温度为1300-1800℃；
步骤三：停止加热，进行保温处理，同时提高所施加的压力；所述的保温处理中，所述采用的保温温度为1200-1300℃，保温时间为0.1-5小时，所采用的压力为0.01-0.05Mpa；
步骤四：待保温处理结束后，移除压力，将连接好的晶片缓慢冷却至30℃以下，控制晶片按3-10℃/min的降温速度进行降温。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1059418C (zh) * 1997-04-10 2000-12-13 陈铮 陶瓷与金属部分瞬间液相连接方法
CN100363137C (zh) * 2005-12-30 2008-01-23 哈尔滨工业大学 填充复合焊料非连续增强铝基复合材料振动液相焊接方法
CN102057475B (zh) * 2008-06-05 2013-01-02 住友电木株式会社 半导体装置的制造方法以及半导体装置
CN105108257B (zh) * 2015-08-21 2018-01-12 南昌航空大学 一种过渡液相辅助固相连接方法
CN105364245B (zh) * 2015-12-17 2017-11-03 哈尔滨工业大学 一种蓝宝石低温焊接方法
FR3084077B1 (fr) * 2018-07-20 2021-01-22 Commissariat Energie Atomique Procede d'assemblage hybride de pieces en ceramique ou en composite a matrice ceramique a l'aide d'un materiau d'apport depose puis chauffe sans fusion totale de ce materiau d'apport
CN110767609A (zh) * 2019-11-05 2020-02-07 泰州联鑫电子科技有限公司 一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺

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