DE112004001032T5

DE112004001032T5 - Verfahren zum Verbinden von Keramik: Reaktions-Diffusionsbinden

Info

Publication number: DE112004001032T5
Application number: DE112004001032T
Authority: DE
Inventors: Joo-Hwan Han
Original assignee: Han Joo-Hwan Kyungsan
Current assignee: CEARWEL CO.,LTD., GYEONGSAN, KR
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2006-05-18
Also published as: WO2004110958A1; JP2006527162A; US20060162849A1

Abstract

Verfahren zum Verbinden von Verbundmaterialien, einschließlich Keramik, wobei das Verfahren umfaßt:
Schleifen, Läppen oder Polieren ganzer oder Teile von zu verbindenden Oberflächen von zwei oder mehr Stücken eines Verbundmaterials;
Bilden einer Dünnschicht eines Bindemittels auf einer oder mehreren der geschliffenen, geläppten oder polierten Oberflächen durch jeweils entweder Einfügen, Auftragen, Abscheiden, Plattieren und Beschichten, wobei das Bindemittel nach Erwärmen durch Einlagerung in das Verbundmaterial oder durch Bilden von Mischkristallen mit dem Verbundmaterial in dasselbe umwandeln kann; und
Bilden einer direkt gebundenen Grenzfläche ohne eine zweite Phase durch Wärmebehandlung der Stücke des Verbundmaterials, wobei die zu verbindenden Oberflächen, auf die das Bindemittel aufgebracht wurde, einander gegenüber angeordnet wurden,
wobei die Dünnschicht des Bindemittels aus einem Material zusammengesetzt ist, das aus der aus Metallen, metallorganischen Verbindungen und Metallverbindungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Materialien, und im Besonderen ein Verfahren um Verbundwerkstoffe wie Keramik zu verbinden.
Stand der Technik
Außerordentliche Eigenschaften von Keramik, wie hohe Temperaturbeständigkeit, extreme Härte, hohe chemische Beständigkeit und geringere Dichte als Metall, sind der Grund für die Anwendung technischer Keramik in den weiten Gebieten der Elektronik, der Kraftfahrzeugindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der chemischen Industrie und so weiter. Dennoch sind industrielle Produkte sehr selten monolithisch. Das Problem mit dem Verbinden der Komponenten ist deshalb ein Schlüsselproblem im Entwicklungsprozess. Es gibt mindestens zwei Gründe Keramik zu verbinden: eine komplexe Struktur aus einzelnen Komponenten desselben Materials zusammenzufügen oder verschiedene Materialien zu verbinden, so dass die Eigenschaften der verschiedenartigen Materialien zu der Ausführung beitragen.
Das Verbinden von Keramik ermöglicht es uns einen Formenbestand zu erhalten, der sonst nicht praktikabel oder überhaupt ausführbar wäre. Eine der wichtigsten Funktionen der Fügetechniken ist die Bereitstellung der Mittel für eine wirtschaftliche Herstellung von komplexen Mehrkomponentenstrukturen. Viele komplexe Fügetechniken wurden für Keramik-Metall- und Keramik-Keramik-Verbindung entwickelt, und sie können vermutlich in zwei Gruppen eingeteilt werden: Verbinden mit und ohne Verwendung einer Zwischenschicht. Erstere schließt Kleben ein, Löten/Hartlöten, und Glaslot-Binden und das Letztere schließt mechanisches Befestigen ein, Co-Sintern, Diffusionsschweißen (auch Diffusionsbinden genannt) und Schmelz- und Reibschweißen.
Jedoch vermindern das metallische Hartlöten, das Glaslot-Binden, und das Kleben vornehmlich die thermische und chemische Stabilität des keramischen Systems. Diese Nachteile entstehen durch die Anwesenheit eines zusätzlichen Materials (Kleber oder Lötmetall), das vollkommen andere Eigenschaften als die der Keramik aufweist. Deshalb wird ein kritischer Schwachpunkt an der Verbindungsstelle erzeugt. Ferner ist mechanisches Befestigen häufig ungeeignet, da Keramikteile von Natur aus brüchig sind, und Fusionsschweißen mittels Laser oder einem Elektronenstrahl kann, aufgrund von Unverträglichkeiten wegen übermäßiger örtlich begrenzter Beanspruchung, der sich ein hartes Material nicht anpassen kann, und der möglichen Thermolyse der Keramik während des Schweißvorgangs, nicht in großem Umfang beim Verbinden von Keramik eingesetzt werden.
Das Verfahren des Co-Sinterns zum Verbinden von Keramik ist, wegen der Schwierigkeiten im Umgang mit den zu verbindenden Komponenten, aufgrund ihrer geringen Beanspruchbarkeit, auch nur in begrenzten Systemen erfolgreich_: Im Verfahren des Diffusionsbindens, tritt die Verbindung durch plastische Deformation und Festkörperdiffusion quer durch die Grenzflächen ein. Idealerweise erzeugen die Verfahrensbedingungen eine lokale plastische Deformation an den verbundenen Oberflächen und erlauben Kriechdehnung und Diffusion zum Verschließen der Grenzfläche und Herstellen einer Bindung. Allerdings deformieren die meisten keramischen Materialien nicht leicht und der Diffusionsvorgang ist, außer bei extrem hohen Temperaturen, ziemlich langsam und daher selten erfolgreich. Es wurde berichtet, dass nur ungefähr 25 % des Grenzflächenbereichs von Saphir durch Diffusionsbinden gefügt wird.
Derzeit existiert keine Technologie die, innerhalb vernünftiger wirtschaftlicher Grenzen, zu Verbindungen zufriedenstellender Qualität zwischen Keramikteilen führt und die ausgezeichneten Eigenschaften des keramischen Materials erhält. Das Fehlen einer gut entwickelten Verbindungstechnik beschränkt oder unterbindet die Verwendung von Keramik in einer Reihe von Anwendungen. Die Probleme beim Verbinden von Keramik für Hochtemperatur-Anwendungen sind besonders schwerwiegend. Innovative Ansätze zum Verbinden von keramischen Materialien, die schädliche chemische Wechselwirkungen minimieren sind erforderlich. Die vorliegende Erfindung verfolgt zum Verbinden von Keramik die Entwicklung und Anwendung unkonventioneller Ansätze. Zum Verbinden keramischer Kristalle ohne Verschlechterung der mechanischen, chemischen, thermischen und optischen Eigenschaften, haben wir eine neue Methode entwickelt, die Diffusions- und Reaktionsbinden vereint.
Ein Beispiel für die Herstellung eines monolithischen Keramikteils ist das Verbinden von Saphir-Scheiben für die Anwendung bei großflächigen Fenstern. Aluminiumoxid Einzelkristalle (Saphir-Al₂O₃) werden zurzeit, wegen der Kombination ihrer ausgezeichneten optischen Qualität, hohen Beanspruchbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Erosion und Temperaturschock, als Fenstermaterial in den Bereichen des sichtbaren, nahe infraroten und ultravioletten Spektrums eingesetzt. Ihre hohe thermische Leitfähigkeit bietet einen ausgezeichneten Widerstand gegen Temperaturschock, mehr als andere erhältliche Fenstermaterialien, wie Spinell, Yttria, ALON (Aluminiumoxinitrid). Zusätzlich bieten sie wirksamen ballistischen Schutz. Die größte Beschränkung von Saphir in der Anwendung als Fenster und zum ballistischen Schutz ist, dass er nicht in einer Größe hergestellt werden kann, die groß genug ist, um einige der gewünschten Erfordernisse der Systemvoraussetzungen zu erfüllen. Verändern des Maßstabs derzeitiger Saphir-Kristallzucht-Verfahren zur Herstellung der gewünschten Fenstergrößen, ist unerschwinglich teuer und technisch riskant, und das Wachstum hoch qualitativer, homogener Kristalle mit viel größeren Durchmessern könnte spezifische Grenzen aufweisen.
Ein Verfahren zum Verbinden kleinerer Saphir-Scheiben zu einem geeigneten stabilen, optisch transparenten, großflächigen Fenster, ist erforderlich um diese Beschränkung zu umgehen. Zusätzlich können die komplex geformten Saphir-Komponenten, die in Gebieten wie der Luft- und Raumfahrt oder dem Energiesektor erforderlich sind, durch Verbinden einfacher geformter Saphir-Komponenten gebildet werden. Da die konventionellen Klebstoffe den hohen Temperaturen und Belastungen, denen sie während des Betriebes ausgesetzt sind, nicht standhalten können, wurden andere Verfahren zum Erreichen einer geeigneten Verbindung untersucht. Die Verfahren, die zum Verbinden von Saphir entwickelt wurden schließen Sintern, Löten und Diffusionsbinden ein.
Ein Verfahren, das relativ günstige optische Charakteristika und Bindungsstärke bietet ist in US Patent Nr. 5942343 offenbart. Bei diesem Verfahren werden Oberflächen von Saphir-Scheiben mit MgO-(Magnesiumoxid) Dampf beschichtet und, nachdem die Magnesiumoxid beschichteten Oberflächen einander gegenüber angeordnet wurden, in Gegenwart von wasserstoffhaltigem Gas bei einer Temperatur von 1500–2000°C, für einige Stunden hitzebehandelt. Dieses Verfahren bietet jedoch, aufgrund der Ausbildung einer MgAl₂O₄-Spinellphase zwischen dem beschichteten MgO und dem Saphir an der Verbindungsgrenzfläche während der Hitzebehandlung, keine ausreichende direkte Verbindung zwischen den Saphiren.
Offenbarung der Erfindung
Technisches Problem
Es besteht Bedarf für ein Verfahren zum Verbinden von Einzelstücken aus keramischen Materialien (einschließlich einkristallinem, polykristallinem und amorphem Material) zu einer direkt verbundenen Ein-Körper-Struktur ohne eine Zwischenssschichtphase zu belassen.
Technische Lösung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Verbinden einzelner Stücke keramischen Materials (einschließlich einzelkristallinem, polykristallinem und amorphem Material) durch eine chemische Reaktion an der Fügegrenzfläche bereit, die zu einer direkt gefügten Ein-Körper-Struktur führt, die ein großes Ausmaß und eine komplizierte Struktur hat, ohne eine Phase mit Zwischenschicht zu hinterlassen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, werden ganze oder Teile von Oberflächen von zwei oder mehr Stücken keramischen Materials geschliffen, geläppt oder poliert. Eine dünne Schicht wird auf der zu verbindenden Oberfläche durch Einfügen, Auftragen, Auflagern, Galvanisieren oder Beschichten eines Bindemittels ausgebildet. Das Bindemittel begünstigt den Materialtransport an der Fügegrenzfläche, wodurch ein anderer Weg als plastisches Deformieren bereitgestellt wird, um Kanten zu glätten und um zu für das Diffusionsbinden erforderlichen gepaarten Kontaktflächen zu führen. Eine Anzahl von Materialien wurden herkömmlich als Bindemittel zum Diffusionsbinden vorgeschlagen. Jedoch waren all diese Versuche bei der Herstellung von Gefügen von Keramikteilen durch Diffusionsbinden, aufgrund der Verschlechterung der Eigenschaften der Gefüge, wegen der Anwesenheit von zweiten Phasen in Form einer Zwischenschicht zwischen den keramischen Materialien nur teilweise erfolgreich. Die Zusammensetzung der Bindemittel, die zum Verbinden von Keramik eingesetzt wurden, waren denen der zu verbindenden Keramik nicht ähnlich. Einer der Hauptgesichtspunkte der Erfindung ist eine sorgfältige Auswahl der Bindemittel. Um eine direkte Verbindung der keramischen Materialien an der Fügegrenzgrenzfläche zu erhalten sollte das Bindemittel derart ausgewählt werden, dass es während des Fügeverfahrens, durch Aufnahme in die keramischen Ausgangsmaterialien vollständig verbraucht wird, so dass es nach Beenden des Verbindens keine verbleibenden Phasen mehr gibt. Die Bindemittel für diesen Zweck schließen Metalle, metallorganische Verbindungen, metallische Verbindungen oder eine Mischung oder Lösung derselben ein, die die metallischen Elemente enthalten, die in das keramische Material aufgenommen werden können, oder die ein Mischkristall, durch chemische Reaktion mit dem keramischen Material und/oder einem atmosphärischen Gas während der Hitzebehandlung bilden können.
Anschließend werden die die Teile so angeordnet, dass eine Oberfläche mit einer Dünnschicht des Mittels und eine Oberfläche ohne eine Dünnschicht des Mittels, oder zwei Oberflächen mit einer Dünnschicht des Mittels einander gegenüber angeordnet sind. Dann werden die Stücke bei einer hohen Temperatur und von außen angelegtem Druck oder unter Atmosphärendruck in der Atmosphäre von Luft oder einem inerten Gas, einem wasserstoffhaltigen Gas, oder einem Gas, das die nicht-metallischen Elemente enthält, die die zu verbindende Keramik bilden, hitzebehandelt. Daher werden die keramischen Materialien ohne eine zweite Schicht an der gefügten Grenzfläche, aufgrund einer chemischen Reaktion verbunden, die das Bindemittel und dessen Verbrauch durch Aufnahme in und/oder Bildung eines Mischkristalls mit dem Ausgangsmaterial (Fügematerial) einschließt. Um die Eigenschaften des gefügten Verbundes zu verbessern, kann eine zweite Wärmebehandlung in Gegenwart eines der oben angeführten Gase durchgeführt werden.
Die dünne Schicht des Bindemittels auf der zu verbindenden Oberfläche wird durch Einbringen einer Folie, einer Beschichtung mit Schlämme oder Paste, oder durch ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichten gebildet. Das Bindemittel umfasst mehr als ein metallischen Element, das während der Hitzebehandlung in die Ausgangsmaterialien aufgenommen werden kann, oder darin löslich ist, und kann eine Art von Metallen, metallorganischen Verbindungen, metallischen Verbindungen oder einer Mischung oder Lösung derselben sein. Das metallische Element ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, Hf Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am und Cm.
Andererseits war uniaxiales Pressen bei relativ hohen Temperaturen (Heißpressen), zur Herstellung von Stossfugen durch Diffusionsbinden von metallischen Komponenten, die bereits maschinell zu ihrer endgültigen Form und Dimension bearbeitet und mit glatten und flachen gepaarten Oberflächen versehen waren, weit verbreitet. Das Diffusionsbinden erfordert kein örtliches Schmelzen von Komponenten oder Einsatz von fremden Fügematerialien, sondern lediglich dass gepaarte Oberflächen in nahen Kontakt, in atomarem Maßstab, gebracht werden, so dass eine Grenzfläche zur Erzeugung eines strukturellen Kontinuums durch Inter-Diffusion gebildet werden kann. Dieses Fügen erfolgt gewöhnlich durch ein Zweischrittverfahren; die anfängliche Bildung eines Kontaktbereichs und die nachfolgende Bildung der Verbindung durch Wachstum der gefügten Grenzflächen. Der anfängliche Kontakt wird durch sofortige plastische Deformation oder Kriechdehnung der Kanten (Spitzen), der die Verbindung herstellenden Oberflächenmerkmale, durch von außen angelegten Druck erreicht. Die treibenden Kräfte für das nachfolgende Wachstum der gefügten Reaktionszonen und Schrumpfen der vereinzelten Lücken, sind die Anpassung an den von außen angelegten Druck und die Abnahme der Gesamtoberflächenenergie des Systems, die durch die Grenzflächenbildung hervorgerufen wird.
Die Plastizität von Keramik ist im Allgemeinen jedoch so schwach, dass die Deformation von Kanten, zum Erhalt des anfänglichen Kontakts und der Übereinstimmung der gepaarten Oberflächen, selten möglich ist. Außerdem führt die Feuerfestigkeit von Keramik zu Herstellungstemperaturen, die häufig inakzeptabel hoch für die erhältlichen Ausstattungen sind. Insoweit wird ein neuer Weg, anders als plastische Deformation, zur Verbesserung der Deformation von Kanten benötigt. In der vorliegenden Erfindung wird eine Dünnschicht eines Bindemittels auf die zu verbindenden Oberflächen aufgebracht, die eine Dicke im Bereich von 0,001–500 μm hat, bevorzugt 1–10 μm, das ein metallisches Element enthält, das in das Ausgangsmaterial aufgenommen werden kann. Wenn die Keramikstücke mit den beschichteten Oberflächen, in gegenseitigem Kontakt miteinander, bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt (einen Teilschmelzpunkt einschließend) des Bindemittels hitzebehandelt werden, bildet die Dünnschicht in einer frühen Phase des Fügeverfahrens eine Flüssigkeit. Ein in der Erfindung verwendetes geschmolzenes Bindemittel verformt scheinbar die Kanten auf den gepaarten Oberflächen und bildet gepaarte Kontaktflächen durch einen Lösungs- und Wiederabscheidungsprozess, der durch den angelegten Druck erleichtert wird. Durch Anfeuchten der Ausgangsmaterialien und mit Hilfe von angelegtem Druck, kann die flüssige Phase, das heißt das geschmolzene Mittel, das Ausgangsmaterial lösen oder Kanten glätten, was zu gepaarten Kontaktflächen führt.
Allerdings lasst, wie es hier offenbart ist, keine Spur des Bindemittels in den gefügten Proben darauf schließen, dass sich das Bindemittel zwischen den Keramiken in die Keramiken umwandelt und/oder teilweise während der Hitzebehandlung verdampft.
Der Gleichgewichtspartialdruck von Sauerstoff für die Oxidationsreaktion von Al (Bindemittel für Saphir, zum Beispiel) wird bei 1500°C auf ungefähr 10^–23 atm geschätzt. Der Partialdruck für Sauerstoff während der Hitzebehandlung andererseits, wird von der Reinheit des verwendeten Ar-Gases im Fügeverfahren auf 4·10^–5 geschätzt. Deshalb wird angenommen, dass das flüssige Al während der Hitzebehandlung, durch das in der flüssigen Schmelze gelöste Sauerstoffgas oxidiert wird. Die in der Schmelze gebildeten Al-Moleküle (Al₂O₃) bewegen sich wahrscheinlich zu den Saphir-Schmelzgrenzflächen und werden dort in die Saphirstruktur aufgenommen. Die in den hochauflösenden TEM Bildern beobachteten Facetten im gefügten Grenzflächenbereich geben überzeugende Hinweise darauf, dass während einer frühen Phase des Fügeverfahrens eine vorübergehende Al-reiche flüssige Phase auftritt. Solche Prozesse könnten kontinuierlich, bis zum Verbrauch der Al-Schmelze stattfinden. Als Ergebnis wird eine direkte Keramik-Keramik-Verbindung (Saphir-Saphir-Verbindung) ohne Hinterlassen einer zweiten Phase im gefügten Grenzbereich erreicht.
Dementsprechend können im Fügeverfahren, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, einzelne Stücke keramischen Materials direkt, zur Bildung einer großformatigen Ein-Körper-Struktur, gefügt werden. Diese Reaktions-Diffusionsgefügte Keramikstruktur hat für die Anwendung in praktischen Gebieten geeignete Eigenschaften, da sie fast dieselben mechanischen, optischen, elektrischen oder elektronischen, elektromagnetischen, thermischen, chemischen und kristallografischen Eigenschaften wie die einzelnen Stücke des Ausgangsmaterials besitzt und die strukturelle Integrität der Materialien beibehält. Ein Verfahren des Reaktionsfügens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann genutzt werden, um die Hindernisse und Schwierigkeiten der konventionellen Verfahren des Verbindens zu überwinden und die Keramikteile, die gemäß der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gefügt werden, haben viele Vorteile, wie bessere thermische, mechanische, chemische, elektrische oder elektronische und elektromagnetische Eigenschaften, als die Teile, die durch ein konventionelles Verfahren hergestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Verbinden von keramischem Material gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
2A ist eine Fotografie von verbundenen Saphirkristallen, wobei Al als Bindemittel, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, verwendet wurde;
2B ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs des Reaktions-Diffusions-verbundenen Saphirkristalls aus 2A;
2C ist ein optischer Durchgangswert der quer durch die Grenzfläche des verbundenen Saphirkristalls aus 2A gemessen wurde;
3 ist eine Fotografie von verbundenen Saphirkristallen, die unter Verwendung einer Aluminiumfolie als Bindemittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden wurden;
4A ist eine Fotografie einer Aluminiumoxid-Keramik, die unter Verwendung von Al als Bindemittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden wurden;
4B ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs der verbundenen Aluminiumoxid-Keramik aus 4A;
5A ist eine Fotografie von MgO-Einzelkristallen, die unter Verwendung von Mg als Bindemittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden wurden;
5B ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs der verbundenen MgO-Einzelkristalle aus 5A;
6 ist eine Fotografie von ZnS-Polykristallen, die unter Verwendung von Zn als Bindemittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden wurden;
7A ist eine Fotografie von Natronkalk-Glas, das unter Verwendung von Al als Bindemittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden wurde;
7B ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs des verbundenen Natronkalk-Glases aus 7A;
8 ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs von AlN-Keramik, die unter Verwendung von Al als Bindemittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden wurde;
9 ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs von Si₃N₄-Keramik, die unter Verwendung von Si als Bindemittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden wurde;
10 ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs von SiC-Keramik, die unter Verwendung von Si als Bindemittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden wurde;
11 ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs von Quarzglas, das unter Verwendung von Si als Bindemittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden wurde.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird jetzt, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen in denen modellhafte Ausführungsbeispiele gezeigt werden, ausführlicher beschrieben. Diese Erfindung könnte jedoch in vielen verschiedenen Arten ausgeführt werden und sollte nicht so gedeutet werden, dass sie auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Stattdessen sind die Ausführungsbeispiele so beschaffen, dass die Offenbarung dem Fachmann das Konzept der Erfindung gründlich und vollständig vermittelt. Die folgende detaillierte Beschreibung ist deshalb nicht in einem begrenzenden Sinn aufzufassen und der Anwendungsbereich wird nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt.
Vorzugsweise bedeutet in der vorliegenden Erfindung ein Kristall nicht nur einen reinen Kristall, seine Mischkristalle oder Verbundwerkstoffe, sondern auch einen Ein- und einen Polykristall. In dieser Offenbarung wird hauptsächlich auf Kristallstücke und deren Verbindung Bezug genommen, der Fachmann könnte jedoch die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zum Verbinden von einem Kristall und seinem Mischkristall (oder Verbundwerkstoff), und zum Verbinden von Mischkristallen (oder Verbundwerkstoffen) verwenden. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls dazu verwendet werden einen Kristall und ein amorphes Material, sowie amorphe Materialien zu verbinden.
Ausführungsbeispiele
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Verbinden von Keramiken, gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bezogen auf 1, sind in Schritt 10 die Oberflächen von mehr als zwei Stücken eines keramischen Materials (das Material kann ein Einzelkristall, ein Polykristall, ein Mischkristall oder ein amorphes Material sein) ganz oder teilweise geschliffen (oder geläppt oder poliert). Die Materialteile können Kristallstücke sein, die nach der kristallografischen Orientierung geschnitten sein können, nach Größe und Form eines gefertigten Kristalls, eines Mischkristalls davon oder eines Kristalls eines Verbundwerkstoffes.
In Schritt 20 werden Dünnschichten des Bindemittels auf mehr als eine geschliffene (oder geläppte oder polierte) Oberfläche der zu verbindenden Teile aufgebracht. Die Dünnschichten des Mittels bestehen aus Metallen, metallorganischen Verbindungen, Metallverbindungen, oder einer Mischung oder Lösung derselben, die metallische Elemente enthält, die in das keramische Ausgangsmaterial umgewandelt und aufgenommen werden, oder die einen Mischkristall durch eine chemische Reaktion mit dem Material und/oder einem atmosphärischen Gas während einer Hitzebehandlung bilden. Die Schicht kann durch Einfügen einer Folie zwischen die benachbarten Stücke des Materials gebildet werden; das Beschichten der Metalle, metallorganischen Verbindungen oder einer Mischung oder Lösung derselben in einer Schlämme oder pastösem Zustand, in dem feine Partikel mit nm-Größe dispergiert sind; und jeweils entweder Auflagern, Galvanisieren und Beschichten der Metalle, metallorganische Verbindungen oder Metallverbindungen auf die zu verbindenden Oberflächen, unter Verwendung eines Verfahrens, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus den Verfahren Rotationsbeschichten, Sol-Gel-Beschichten, Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung, metall-organische Gasphasenabscheidung, Laseraufschmelzung, Auf tragen mit gepulstem Laser, reaktives Verdampfen, und Galvanisieren (stromloses Galvanisieren eingeschlossen) besteht.
Die metallischen Elemente, die in das keramische Material umgewandelt oder aufgenommen werden können, oder die damit Mischkristalle durch eine chemische Reaktion während der Hitzebehandlung bilden sind Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, Hf Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am und Cm. Diese Metalle können in Form der reinen Metalle selbst, der metallorganischen Verbindungen oder Metallverbindungen verwendet werden. Keramische Materialien die mittels der vorliegenden Erfindung gefügt werden können schließen Boride, Carbide, Nitride, Oxide, Fluoride, Silicide, Phosphide, Sulfide, Chloride, Germanide, Arsenide, Selenide, Bromide, Telluride, Iodide, intermetallische Verbindungen, und Verbundwerkstoffe und Mischkristalle aus diesen Verbindungen ein.
Bezogen auf 1, Schritt 30, werden die Stücke so angeordnet, dass eine Oberfläche mit Dünnschicht und eine Oberfläche ohne Dünnschicht oder zwei Oberflächen mit Dünnschicht einander gegenüber angeordnet werden. Dann werden die angeordneten Teile bei einer hohen Temperatur in Luft oder Vakuum, oder in Gegenwart eines inerten Gases, wasserstoffhaltigen Gases oder eines Gases, das nichtmetallische Elemente enthält, die das Ausgangsmaterial bilden, hitzebehandelt. Die Hitzebehandlung kann, muss aber nicht, unter angelegtem Druck durchgeführt werden. Die Hitzebehandlung kann zwischen dem Schmelzpunkt (oder Teilschmelzpunkt) des Bindemittels und dessen Siedetemperatur für ungefähr eine Minute bis 10 Stunden durchgeführt werden. Der angelegte Druck liegt in einem Bereich von 0–100 MPa, und kann 0–10 MPa betragen. Verfahren zur Hitzebehandlung schließen Behandeln mit Strahlungshitze, induktives Erhitzen, Erhitzen mit Mikrowellen, Erhitzen mit Ultraschall, und dergleichen ein. Die Dünnschicht des Bindemittels, die auf die geschliffenen (geläppten oder polierten) Oberflächen des keramischen Materials aufgebracht wurde, dient als temporäre Zwischenschicht, um die Migration von Material an der Grenzfläche während der Hitzebehandlung zu begünstigen, und wird in das keramische Material aufgenommen oder bildet durch chemische Reaktion mit dem Ausgangsmaterial und/oder dem nicht-metallischen Element in dem Atmosphärengas ein Mischkristall. Schließlich, nach Fortführung des Verfahrens bis zum Verbrauch des Bindemittels an der Grenzfläche, haben die monolithisch gefügten Keramikteile einheitliche mechanische, chemische, optische, elektrische und elektronische und elektromagnetische Eigenschaften und Wärmeausdehnungskoeffizienten, die nahezu identisch mit denen des Ausgangsmaterials sind
Deshalb kann eine große monolithische Struktur keramischen Materials, das mechanische und strukturelle Integrität aufweist, hergestellt werden, da die Grenzfläche eine starke chemische Bindung aufweist. Die verbundene Grenzfläche kann eine direkt verbundene Grenzfläche, ohne eine zweite Phase ausbilden, das heißt, die Menge des Materials in der zweiten Phase liegt unter einer messbaren Grenze. Selbst wenn sich jedoch Material in einer zweiten Phase in der Grenzfläche befindet, scheint dieses Material in der zweiten Phase nicht in Form einer Schicht mit einheitlicher Dicke zu sein, sondern scheint, wegen der sehr dünnen Schicht des Bindemittels, in Form eines Niederschlags oder einer Absonderung zu sein.
Um den Phasenwechsel des Bindemittels während des Fügeprozesses abzuschließen ist eine angemessene Kontrolle des Atmosphärengases wichtig, die Kontrolle der Dicke der Schicht des Bindemittels ist jedoch besonders wichtig. Wenn die Schicht dick ist, dauert es viele Stunden um den Phasenwechsel des Bindemittels abzuschließen, da der Prozess des Phasenswechsels eine Diffusion des Gases in die Schicht und eine chemische Reaktion erfordert. Ebenso besteht ein Risiko, dass eine Zwischenschicht aus nicht-reagiertem Bindemittel in der Grenzfläche verbleibt. Andererseits kann, wenn die Schicht zu dünn ist, die gewünschte Bindungsstärke nicht erreicht werden. Dementsprechend muss die Dicke der Schicht angemessen sein. Die Dicke der metallischen Dünnschicht liegt in einem Bereich von 0,001–500 μm und kann 0,1–10 μm betragen, sie hängt sowohl von der Rauheit der zu verbindenden Oberflächen, als auch von den Reaktionseigenschaften des Ausgangsmaterials und des Bindemittels ab.
Die Hitzebehandlung zum Verbinden kann während ein elektrisches Feld an das keramische Material angelegt wird durchgeführt werden. Keramisches Material wird mit kovalenten oder ionischen Bindungen gebildet, der Großteil davon mit ionischen Bindungen. Wenn ein äußeres elektrisches Feld an ein ionisches Material angelegt wird, wird auf die positiven und negativen Ionen des Materials jeweils in entgegengesetzte Richtung Einfluss ausgeübt, was in Elektromigration resultiert. Dieses Phänomen kann zum Verbinden von Material genutzt werden. Wenn, zum Beispiel, eine Spannung, während der Hitzebehandlung, an die äußeren Oberflächen der Stücke angelegt wird, nachdem die zwei zu verbindenden Materialstücke in Kontakt gebracht wurden, wandern positive Ionen aus einem Bereich an dem positive Spannung angelegt wird in Richtung auf die Grenzfläche die gefügt wird, und negative Ionen wandern aus einem Bereich an dem negative Spannung angelegt wird in Richtung auf die Grenzfläche die gefügt wird. Als Folge dieser Elektromigration, werden die positiven und negativen Ionen dem Grenzflächenbereich vom Ausgangsmaterial zugeführt, wo sie zu Molekülen rekombinieren und den Spalt zwischen den beiden Stücken füllen, wobei sie das Verbinden der zwei Stücke erleichtern. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, sollte die elektrische Leitfähigkeit während der Hitzebehandlung und die Dicke des zu verbindenden Materials berücksichtigt werden. Spannung im Bereich von 0 bis 5 kV kann angelegt werden, und kann 0 bis 0,5 kV betragen.
Wenn das Verfahren zum Verbinden gemäß dem oben genannten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nicht angewandt werden kann, da ein Bindemittel einen höheren Schmelzpunkt als das Ausgangsmaterial hat, oder wenn die Möglichkeit einer Thermolyse oder eines Phasenwechsels des Bindemittels während der Hitzebehandlung besteht, kann ein Schritt einer Hitzebehandlung vor dem Schritt der Hitzebehandlung des Verbindens durchgeführt werden, so dass der Phasenübergang und/oder die Thermolyse des Bindemittels vorab erfolgen kann, dadurch ergibt sich eine andere Phase des Bindemittels, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Ausgangsmaterial hat. Diese zusätzliche Behandlung wird bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Dünnschicht in Luft oder Vakuum oder in Gegenwart eines inerten Gases, wasserstoffhaltigen Gases oder in einer reduktionsinduzierenden Atmosphäre durchgeführt.
In Schritt 40, der optional ist, kann, zur Verbesserung der Eigenschaften des gefügten Verbundes, eine zusätzliche Hitzebehandlung in Gegenwart eines Gases erfolgen, das ein nicht-metallisches Element des Ausgangsmaterials enthält. Zum Beispiel kann gebundenes MgO oder gebundener Saphir in Sauerstoffatmosphäre behandelt werden. Die zusätzliche Hitzebehandlung induziert eine weitere Reaktion und Diffusion des Bindemittels (Metall oder Oxid), das in der gefügten Grenzfläche zurückgeblieben sein könnte. Die zusätzliche Hitzebehandlung wird bei einer Temperatur im Bereich von 500–2000°C für 5–10 Stunden durchgeführt.
Nachfolgend werden praktische Beispiele, die die Gültigkeit der vorliegenden Erfindung darstellen, beschrieben. Die folgenden Experimente sollten nicht als Begrenzung des Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung gedeutet werden. Die praktischen Beispiele betreffen das Verbinden von keramischem Material wie Saphirkristallen und verschiedene Modifikationen die gemacht werden können. Zum Beispiel können verschiedene Verbindungen und Kristallstrukturen, wie Einzelkristalle, Polykristalle und amorphe Materialien verbunden werden.
Beispiel 1 (Saphir-Verbund 1)
Ein weißer Saphir wurde, um die gewünschte kristallografische Orientierung, Größe und Form zu erhalten, geschnitten und die geschnittenen Oberflächen wurden unter aufeinanderfolgender Verwendung von Diamantschleifmitteln von 6 um bis 1 μm poliert. Der Saphir wurde in Form einer Scheibe mit einer Dicke von 5 mm geschnitten. Eine reine Al-(99,9 %) Schicht mit einer Dicke von 2–4 μm wurde dann auf dem polierten Saphir mittels eines Vakuumverdampfers abgeschieden. Die Oberflächen mit den Abscheidungen wurden dann einander gegenüber angeordnet und in einem Vakuumschmelzofen oder einem Heißpress-Schmelzofen hitzebehandelt. Die Hitzebehandlung wurde bei einer Temperatur im Bereich von 1000–1850°C, für 30 Minuten bis 2 Stunden, bei einem Druck in einem Bereich von 0–30 MPa in Gegenwart von Argongas durchgeführt. Die Temperatur wurde schrittweise um 10°C pro Minute bis 1500 Grad erhöht und um 5°C pro Minute über dieser Temperatur. Die Hitzebehandlung kann im Vakuum oder in Gas, das Wasserstoff oder Sauerstoff statt Argon enthält, durchgeführt werden. Um die optische Durchlässigkeit zu erhöhen kann, wenn nötig, eine zweite Hitzebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 1000–2000°C für 30 min bis 10 Stunden unter Sauerstoffatmosphäre durchgeführt werden.
2A ist eine Fotografie von verbundenen Saphirkristallen, wobei Al als Bindemittel verwendet wurde. Der Kristall, ein verbundener Saphirkristall, zeigt, wie es in der Figur erkennbar ist, eine einheitliche und gute optische Durchlässigkeit und eine außerordentliche Bindungsstärke (etwa 300 MPa).
2B ist eine vergrößerte SEM (Scanning Electron Micoscropy) Aufnahme des Grenzflächenbereichs des Saphirkristalls, der in 2A gezeigt wurde. Bezogen auf 2B wurde keine zweite Phase, das heißt, eine metallische oder Oxidphase in der Grenzfläche beobachtet. Daher wurde die abgeschiedene Al-Schicht vollständig in einen Saphirkristall umgewandelt, wobei dies durch eine Abfolge von Prozessen, wie Schmelzen des Bindemittels, Befeuchten des Ausgangsmaterials mit dem geschmolzenen Mittel, glätten der Kanten der gefügten Oberflächen durch einen Prozess des Lösens und der Wiederabscheidung, Oxidation des geschmolzenen Mittels und Aufnahme der oxidierten Moleküle, während der Hitzebehandlung in das Ausgangsmaterial erfolgte. Als Ergebnis wurde, wie es in 2C gezeigt wird, eine gute optische Durchlässigkeit der gefügten Saphirkristalle (Linie) erhalten, die der eines Saphir-Einzelkristalls vergleichbar ist (gestrichelte Linie).
Optische Durchlässigkeit der gefügten Saphirkristalle wurde erhalten, wenn Bindemittel verwendet wurde, das aus einer Gruppe ausgewählt wurde, die nicht nur aus Al besteht, sondern auch aus Al-Legierungen, Mg, Cr, Ti, Fe, V, Si, Ca, Co, Cu, Ag, Bi, Cd, Ce, Ga, Hf, K, La, Mn, Na, Nb, Nd, Ni, Pb, Sc, Sm, Sn, Sr, Ta, U, Y, Zn, Zr, Li und Legierungen dieser Metalle.
Beispiel 2 (Saphir Verbund 2)
Das zweite Experiment wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, jedoch wurde eine Al-Folie mit einer Dicke von ungefähr 18 μm zwischen die polierten Oberflächen anstelle einer aufgebrachten Al-Schicht eingefügt. Die Stücke wurden in einem Vakuumschmelzofen oder einem Heißpress-Schmelzofen hitzebehandelt. Die Hitzebehandlung wurde bei einer Temperatur im Bereich von 600–1850°C, bei einem Druck im Bereich von 0–30 MPa für 30 Minuten bis 2 Stunden, in Gegenwart von Argongas, durchgeführt. Die übrigen Prozesse waren dieselben wie in Beispiel 1.
3 ist eine Fotografie von Saphirkristallen, die in diesem zweiten Beispiel unter Verwendung von Al-Folie verbunden wurden. Bezogen auf 3 haben die verbundenen Saphirkristalle eine hohe Bindungsstärke und einheitliche Eigenschaften.
Beispiel 3 (Verbinden von Al₂O₃-Keramik
Polykristalline Aluminiumoxid Stücke wurden durch Sintern von Aluminiumoxid (Al₂O₃) Pulver (AKP-50, Sumitomo, Japan) bei 1400°C in einem Heißpress-Schmelzofen hergestellt und Al, als Bindemittel, wurde auf den zu verbindenden Oberflächen abgeschieden.
Die Stücke wurden so angeordnet, dass die zu verbindenden Oberflächen einander gegenüber lagen und wurden unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 hitzebehandelt. Die Hitzebehandlung wurde bei einer Temperatur im Bereich von 1000–1850°C, für 30 Minuten bis 2 Stunden, bei einem Druck im Bereich von 0–30 MPa, in Gegenwart von Argongas durchgeführt. Die verbleibenden Schritte waren dieselben wie in Beispiel 1. Die Hitzebehandlung kann im Vakuum oder in Gegenwart eines wasserstoff- oder sauerstoffhaltigen Gases, anstelle von Argon, erfolgen.
4A ist eine Fotografie von verbundener Al₂O₃-Keramik aus diesem Beispiel. 4B ist eine vergrößerte SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs der verbundenen Al₂O₃-Keramik aus 4A. Wie in 4B gezeigt, hatte, wenn Al als Bindemittel verwendet wurde, die verbundene Al₂O₃-Keramik eine hohe Bindungsstärke und einheitliche Eigenschaften ohne eine zweite Phase in der Grenzfläche. Das kommt, wie schon vorher erklärt, daher, dass die abgeschiedene Al-Schicht in das Al₂O₃-Kristall, durch die vorher erwähnte Folge von Prozessen die während der Hitzebehandlung auftreten, umgewandelt wurde. Die metallischen Elemente zum Verbinden von Aluminiumoxid können aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Al, Mg, Cr, Ti, Fe, V, Si, Ca, Co, Cu, Ag, Bi, Cd, Ce, Ga, Hf, K, La, Mn, Na, Nb, Nd, Ni, Pb, Sc, Sm, Sn, Sr, Ta, U, Y, Zn, Zr, Li besteht und aus Legierungen dieser Materialien.
Beispiel 4 Verbinden eines MgO-Einzelkristalls)
Zwei Stücke eines MgO-Einzelkristalls wurden in rechteckförmige Stücke mit einer Dicke von 5 mm geschnitten. Eine Schnittoberfläche eines jeden Stücks wurde unter aufeinanderfolgender Verwendung von Diamantpasten mit einer abnehmenden Korngröße von 6 μm bis 1 μm poliert. Dann wurde mit Hilfe eines Vakuumverdampfers reines Mg (99,99 %) auf die polierten Oberflächen des MgO-Einzelkristalls, zur Ausbildung einer Dünnschicht mit einer Dicke von 2–5 μm, abgeschieden.
Nachdem eine Oberfläche eines MgO-Einzelkristalls, auf die Mg-Dünnschicht abgeschieden wurde, und eine Oberfläche eines MgO-Einzelkristalls, auf der nichts abgeschieden wurde, einander gegenüber angeordnet wurden, wurden die kombinierten Stücke in einem Vakuumschmelzofen oder einem Heißpress-Schmelzofen hitzebehandelt. Die Hitzebehandlung wurde bei einer Temperatur im Bereich von 500–1850°C, für 30 Minuten bis 2 Stunden, bei einem Druck im Bereich von 0–30 MPa in Gegenwart von Argongas durchgeführt. Die verbleibenden Schritte waren dieselben wie in Beispiel 1.
Es wurde herausgefunden, das die Lichtdurchlässigkeit, durch Ausführen einer zweiten Hitzebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 500–2000°C, für 5 Minuten bis 10 Stunden, verbessert werden kann. Die Hitzebehandlung spielt eine sehr große Rolle für die Lichtdurchlässigkeit der verbundenen MgO-Einzelkristalle, da der Phasenübergang, die Diffusion, die Oxidation oder die Aufnahme der aufgelagerten Mg-Dünnschicht sehr empfindlich gegenüber den Bedingungen der Hitzebehandlung reagieren.
5A ist eine Fotografie von MgO Einzelkristallen, die unter Einsatz einer abgeschiedenen Mg-Dünnschicht, wie in diesem Beispiel, verbunden wurden. 5B ist eine vergrößerte SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs der verbundenen MgO-Einzelkristalle, die in 5A dargestellt wurden. Wie in 5A gezeigt, hatten, wenn die Mg-Dünnschicht abgeschieden wurde, die verbundenen MgO-Einzelkristalle eine hohe Bindungsstärke und einheitliche Eigenschaften ohne eine zweite Phase an der Grenzfläche. Dasselbe Ergebnis kann erzielt werden, wenn ein metallisches Element als Bindemittel verwendet wird, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die nicht nur aus Mg besteht, sondern auch aus Mg-Legierungen, Li, Be, Na, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Yb, Sc, V, Er, Zr, Nb und Legierungen dieser Metalle.
Beispiel 5 (Verbinden von ZnS)
Oberflächen von zwei polykristallinen ZnS-Stücken, jedes in Scheibenform, wurden geschliffen, und eine reine Zn (99,99%) Schicht, mit einer Dicke von 2–5 μm, auf jede Oberfläche des ZnS mittels eines Vakuumverdampfers abgeschieden.
Die ZnS-Stücke wurden derart angeordnet, dass Oberflächen auf denen Zn abgeschieden war einander gegenüber angeordnet waren, und die vereinigten Stücke wurden thermisch in einem Vakuumschmelzofen oder einem Heißpress-Schmelzofen behandelt. Die Hitzebehandlung wurde bei einer Temperatur im Bereich von 500–1000°C, für 30 Minuten bis 2 Stunden, bei einem Druck im Bereich von 0–10 MPa in Gegenwart von Argongas durchgeführt. Die Temperatur wurde schrittweise um 10°C pro Minute erhöht.
6A ist eine Fotografie des ZnS-Materials, das unter Verwendung einer Zn-Dünnschicht verbunden wurde. Wie in 6 gezeigt, hatten, wenn eine Zn-Dünnschicht abgeschieden wurde, die verbundenen ZnS-Kristalle eine hohe Bindungsstärke und einheitliche Qualität ohne eine zweite Phase an der gefügten Grenzfläche. Das kommt, wie es schon vorher erklärt wurde, daher, dass die abgeschiedene Zn-Schicht, durch eine Abfolge von Prozessen, wie Schmelzen des Bindemittels, Befeuchten des Ausgangsmaterials mit dem geschmolzenen Mittel, glätten der Kanten der gefügten Oberflächen durch einen Prozess des Lösens und der Wiederabscheidung, Schwefeln des geschmolzenen Mittels und Aufnahme der sulfurierten Moleküle, während der Hitzebehandlung, in das Ausgangsmaterial, vollständig in ZnS umgewandelt wurde.
Zum Verbinden von ZnS-Polykristallen kann zusätzlich zu Zn, ein metallisches Element, aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr besteht und Legierungen dieser Metalle, können verwendet werden.
Beispiel 6 Verbinden von amorphem Natronkalk-Glas)
Eine reine Al-(99,99%) Schicht mit einer Dicke im Bereich von 2–5 μm wurde mittels eines Vakuumverdampfers, auf einer Schnittoberfläche eines rechteckförmigen Natronkalk-Glasstückes abgeschieden. Zusätzlich wurde ein rechtförmiges Natronkalk-Glasstück ohne eine Al-Dünnschicht angefertigt.
Die Natronkalk-Glasstücke wurden derart angeordnet, dass eine Oberfläche, auf der Al abgeschieden war, und eine Oberfläche ohne Al-Dünnschicht einander gegenüber angeordnet waren, und die vereinigten Stücke wurden in einem Vakuumschmelzofen oder einem Heißpress-Schmelzofen hitzebehandelt. Die Hitzebehandlung wurde bei einer Temperatur im Bereich von 400–700°C, für 30 Minuten bis 2 Stunden, bei einem Druck im Bereich von 0–10 MPa in Gegenwart von Argongas durchgeführt. Wenn nötig kann die Hitzebehandlung in Luft oder Vakuum, in Gegenwart eines inerten Gases, eines wasserstoffhaltigen Gases, oder eines Gases, das ein nicht-metallisches Element enthält, das das Natronkalk-Glas bildet, durchgeführt werden. Für eine verbessere Lichtdurchlässigkeit kann eine zweite Hitzebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 400–700°C für 5 bis 10 Minuten durchgeführt werden.
7A ist eine Fotografie der Natronkalk-Glas Struktur, die unter Abscheiden einer Al-Dünnschicht verbunden wurde. 7B ist eine vergrößerte SEM Aufnahme der verbundenen Grenzfläche des gefügten Natronkalk-Glases aus 7A. Wie in 7A gezeigt, hatte, wenn Al abgeschieden wurde, das gefügte Natronkalk-Glas eine hohe Bindungsstärke und einheitliche Qualität ohne eine zweite Phase an der verbundenen Grenzfläche. Das kommt daher, dass die abgeschiedene Al-Schicht durch eine Abfolge von Prozessen die denen in Beispiel 1 ähnlich sind, während der Hitzebehandlung vollständig in Natronkalk-Glas umgewandelt wurde.
Zum Verbinden von Natronkalk-Glas kann ein metallisches Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die nicht nur aus Al besteht, sondern auch aus Al-Legierungen, Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb und Legierungen dieser Metalle, können verwendet werden.
Beispiel 7 (Verbinden von AlN-Keramik)
Zum Verbinden von Aluminiumnitrid (AlN), wurden zwei Stücke AlN-Keramik, die in einem Heißpress-Schmelzofen hergestellt wurden, angefertigt. Eine Oberfläche eines jeden Stückes wurde zum Glätten von dessen Oberfläche, geschliffen. Die zwei Stücke wurden so angeordnet, dass die Oberfläche mit dem abgeschiedenen Al des einen Stücks, der Oberfläche ohne Al-Abscheidung des anderen Stücks gegenüber angeordnet war und die vereinigten Stücke wurden in einem Vakuumschmelzofen oder einem Heißpress-Schmelzofen hitzebehandelt. Die Hitzebehandlung wurde bei einer Temperatur im Bereich von 1000–1850°C für 30 Minuten bis 2 Stunden, bei einem Druck in einem Bereich von 0–30 MPa, bei einer Spannung von 0–0,5 kV, die an die zwei Stücke in Gegenwart von Stickstoffgas angelegt wurde, durchgeführt. Die Temperatur wurde schrittweise um 10°C pro Minute bis 1500 Grad erhöht und um 5°C pro Minute über dieser Temperatur. Wenn nötig kann die Hitzebehandlung im Vakuum oder in einem inerten Gas, einem wasserstoff- oder sauerstoffhaltigen Gas durchgeführt werden. Für verbesserte Eigenschaften kann, wenn nötig,. eine zweite Hitzebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 1000–2000°C für 30 Minuten bis 10 Stunden, unter stickstoffhaltiger Atmosphäre, durchgeführt werden.
8 ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs der verbundenen AlN-Keramik und zeigt, dass eine starke Verbindung gebildet wurde und dass es keine zweite Phase zwischen den beiden verbundenen AlN-Keramiken gibt. Das kommt, wie es schon vorher erklärt wurde, daher, dass die abgeschiedene Al-Schicht, durch eine Abfolge von Prozessen, wie Schmelzen des Bindemittels, Befeuchten des Ausgangsmaterials mit dem geschmolzenen Mittel, glätten der Kanten der verbundenen Oberflächen durch einen Prozess des Lösens und der Wiederabscheidung, Nitrieren des geschmolzenen Mittels und Aufnahme der nitrierten Moleküle, während der Hitzebehandlung in das Ausgangsmaterial, vollständig in AlN umgewandelt wurde.
Zum Verbinden von AlN kann ein metallisches Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die nicht nur aus Al besteht, sondern auch aus Al-Legierungen, Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo und Legierungen dieser Metalle, können verwendet werden.
Beispiel 8 (Verbinden von Si₃N₄-Keramik)
Zum Verbinden von Siliciumnitrid (Si₃N₄) werden zwei Stücke Si₃N₄ die in einem Heißpress-Schmelzofen hergestellt wurden, angefertgt. Eine Oberfläche eines jeden Stückes wurde, zum Glätten von dessen Oberfläche, geschliffen. Eine reine Si-(99,99%) Schicht mit einer Dicke im Bereich von 2–4 μm wurde mittels eines Vakuumverdampfers auf einer Oberfläche eines Si₃N₄-Stückes abgeschieden. Die verbleibenden Schritte waren dieselben wie in Beispiel 7.
9 ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs der verbundenen Si₃N₄-Keramik und zeigt eine hohe Bindungsstärke und dass es keine zweite Phase zwischen den beiden verbundenen Si₃N₄-Keramiken gibt. Die SEM Aufnahme zeigt ebenfalls, dass, wie es vorher erklärt wurde, das gesamte Si in Si₃N₄ umgewandelt wurde.
Zum Verbinden von Si₃N₄ kann ein metallisches Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die nicht nur aus Si besteht, sondern auch aus Si-Legierungen, Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Sc, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Sc, V, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, T1, Po, Fr, Ra, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu und Legierungen dieser Metalle, können verwendet werden.
Beispiel 9 (Verbinden von SiC-Keramik)
Zum Verbinden von SiC werden zwei Stücke SiC-Keramik, die in einem Heißpress-Schmelzofen hergestellt wurden, angefertigt und Si oder Si und C werden nach abschleifen einer Oberfläche eines der SiC-Stücke abgeschieden. Die Stücke werden bei einer Temperatur von 1600–1800°C, bei einem Druck im Bereich von 0–30 MPa in Gegenwart von Methan (CH₄) für 2 Stunden hitzebehandelt.
Eine reine Si- (99,99%) Schicht mit einer Dicke im Bereich von 2–4 μm wurde mittels eines Vakuumverdampfers auf eine Oberfläche eines der SiC-Stücke abgeschieden. Die verbleibenden Schritte waren dieselben wie in Beispiel 7, außer dass die Hitzebehandlung in Methan (CH₄) stattfand.
10 ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs der gefügten SiC-Keramik und zeigt eine starke Verbindung (ungefähr 400 MPa) ohne zweite Phase. Das kommt daher, dass das abgeschiedene Si, durch eine Abfolge von Prozessen, die den vorher erwähnten gleichen, vollständig in SiC umgewandelt wurde.
Zum Verbinden von SiC, wie im Fall des Verbindens des Si₃N₄-Polykristalls, kann ein metallisches Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die nicht nur aus Si besteht, sondern auch C, Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Sc, V, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Tl, Po, Fr, Ra, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu und Legierungen dieser Metalle, können verwendet werden.
Beispiel 10 (Verbinden von amorphem Quarz las)
Für das Verbinden von Quarzglas wurden zwei rechtförmige Stücke Quarzglas angefertigt. Eine reine Si- (99,99%) Schicht mit einer Dicke im Bereich von 2–5 μm wurde mittels eines Vakuumverdampfers auf der zu verbindenden Quarzglasoberfläche abgeschieden.
Die zwei Stücke wurden so angeordnet, dass die Oberfläche mit dem abgeschiedenen Si des einen Stücks, der Oberfläche ohne Si-Abscheidung des anderen Stücks gegenüber angeordnet war und die vereinigten Stücke wurden in einem Vakuumschmelzofen oder einem Heißpress-Schmelzofen hitzebehandelt. Die Hitzebehandlung wurde, bei einer Temperatur im Bereich von 800–1500°C für 30 Minuten bis 2 Stunden, bei einem Druck in einem Bereich von 0–10 MPa, bei einer Spannung von 0–0,5 kV, die an die zwei vereinigten Stücke in Gegenwart von Sauerstoff angelegt wurde, durchgeführt. Wenn nötig kann die Hitzebehandlung im Vakuum oder in Gegenwart eines inerten oder wasserstoffhaltigen Gases durchgeführt werden. Falls erforderlich kann eine zweite Hitzebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 500–1000°C für 5 Minuten bis 10 Stunden, in einem Gas, das ein nichtmetallisches Element enthält das Quarzglas bildet, durchgeführt werden.
11 ist eine SEM Aufnahme des Grenzflächenbereichs des verbundenen Quarzglases, und zeigt, dass es keine zweite Phase an der verbundenen Grenzfläche gibt. Das kommt daher, dass das abgeschiedene Si, durch eine Abfolge von Prozessen, die vorher erwähnt wurden, in das Quarzglas umgewandelt wurde.
Für das Verbinden von Quarzglas kann ein Material aus der Gruppe ausgewählt werden, die nicht nur aus Si besteht, sondern auch aus Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Zn, Cs, Ba, B, Cu, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Ag, In; Sn, Sb, Te, La, Tl, Pb, Bi, Ce, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb und Legierungen dieser Materialien, können verwendet werden.
Das Verfahren zum Verbinden von Verbundmaterial gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung kann die konventionellen Hindernisse wie geringe Bindungsstärke, Verschlechterung von Eigenschaften, wie Verminderung der optischen Durchlässigkeit, der chemischen und thermischen Stabilität, die alle aufgrund der verschiedenen Eigenschaften des Ausgangsmaterials (Verbundungmaterial) und der zweiten Phase (Phasen mit Zwischenschicht) auftreten können, überwinden. Daher ermöglicht die Technologie des Reaktions-Diffusionsbindens die einfache Herstellung von monolithischen Keramikteilen, die mit herkömmlichen Technologien nicht mit hoher Ausbeute und gleichzeitiger Senkung der Produktionskosten hergestellt werden können.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die exemplarischen Ausführungsbeispiele genau dargestellt und beschrieben wurde, wird der Fachmann begreifen, dass verschiedene Veränderungen in Form und Detail darin vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und vom Anwendungsbereich der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche festgelegt werden, abzuweichen.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, stellt das Verfahren des Verbindens von keramischem Material gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung großer monolithischer Keramikteile mit komplizierter Struktur ohne die Nachteile der herkömmlichen Verbindungsverfahren bereit. Das heißt, dass das Verfahren des Reaktions-Diffusionsbindens Probleme wie geringe Bindungsstärke, speziell bei hohen Temperaturen, und Verschlechterung thermischer, chemischer, optischer und elektrischer und elektronischer Eigenschaften der verbundenen Keramikteile der herkömmlichen Verfahren überwindet. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung verbundener Strukturen von Keramikkristallen, Verbundwerkstoffen, Mischkristallen oder amorphen Materialien ohne eine besonders teure Ausstattung zu verwenden, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden.
Das Verfahren zum Verbinden von Keramik gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung kann in zahlreichen Anwendungsgebieten, die das Verbinden von keramischem Material erfordern, eingesetzt werden. Insbesondere könnte das Verfahren nützlich für die Herstellung keramischer Komponenten für die Halbleiterverarbeitung sein, wo die Reinheit und chemische Stabilität der Komponenten, wie keramischen elektrostatischen Spannfutter, Heizvorrichtungen und Spannvorrichtungen, äußerst wichtig ist. Die Herstellung von großflächigen Halbleiterscheiben, für die großformatige Gussblöcke derzeit nicht erhältlich sind, ist eine andere mögliche Anwendung der vorliegenden Erfindung. Die großformatigen Gussblöcke könnten durch Verbindung kleinformatiger Gussblöcke, die für Halbleiterscheiben erhältlich sind, hergestellt werden. Ferner können kleine Stücke natürlicher Edelsteine zu großformatigen Kristallschmucksteinen verbunden werden.
Zusammenfassung
Verfahren zum Verbinden von Keramik: Reaktions-Diffusionsbindung
Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Verbinden von Verbundmaterialien wie Keramik. Das Verfahren ist eine Kombination von Diffusionsbinden und Reaktionsbinden, das Reaktions-Diffusionsbindung (RDB) genannt wird. Das Verfahren schließt, Schleifen, Läppen oder Polieren ganzer oder Teile von zu verbindenden Oberflächen von zwei oder mehr Stücken des Verbundmaterials ein, Aufbringen einer Dünnschicht eines Bindemittels auf eine oder mehrere der geschliffenen, geläppten oder polierten Oberflächen, durch jeweils entweder Einfügen, Auftragen, Abscheiden, Galvanisieren und Beschichten, das Bindungsmittel kann sich in das Verbundmaterial nach Hitzebehandlung durch Einfügen oder durch Bildung von Mischkristallen umsetzen; und Bilden einer direkt verbundenen Grenzfläche ohne zweite Phase, durch Hitzebehandlung der Stücke des Verbundmaterials, wobei die zu verbindenden Oberflächen, auf die das Bindemittel aufgebracht wurde, einander gegenüber angeordnet wurden und wobei die Dünnschicht des Bindemittels aus einem Material gebildet wird, das aus der Gruppe der Metalle, metallorganischen Verbindungen und metallischen Verbindungen ausgewählt wird.

Claims

Verfahren zum Verbinden von Verbundmaterialien, einschließlich Keramik, wobei das Verfahren umfaßt: Schleifen, Läppen oder Polieren ganzer oder Teile von zu verbindenden Oberflächen von zwei oder mehr Stücken eines Verbundmaterials; Bilden einer Dünnschicht eines Bindemittels auf einer oder mehreren der geschliffenen, geläppten oder polierten Oberflächen durch jeweils entweder Einfügen, Auftragen, Abscheiden, Plattieren und Beschichten, wobei das Bindemittel nach Erwärmen durch Einlagerung in das Verbundmaterial oder durch Bilden von Mischkristallen mit dem Verbundmaterial in dasselbe umwandeln kann; und Bilden einer direkt gebundenen Grenzfläche ohne eine zweite Phase durch Wärmebehandlung der Stücke des Verbundmaterials, wobei die zu verbindenden Oberflächen, auf die das Bindemittel aufgebracht wurde, einander gegenüber angeordnet wurden, wobei die Dünnschicht des Bindemittels aus einem Material zusammengesetzt ist, das aus der aus Metallen, metallorganischen Verbindungen und Metallverbindungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bindemittel während der Wärmebehandlung durch eine chemische Reaktion zwischen dem Bindemittel und dem Ausgangs-Verbundmaterial und/oder einem Atmosphärengas in das Verbundmaterial eingebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei nach Bilden der direkt gebundenen Grenzschicht ferner eine zweite Wärmebehandlung der verbundenen Verbundmaterialien in Luft, in einem Vakuum oder in der Gegenwart von, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus, einem inerten Gas, einem wasserstoffhaltigem Gas und einem Gas, das ein nichtmetallisches, das Verbundmaterial bildendes Element enthält, umfassend.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die zweite Wärmebehandlung für 1 Minute bis 10 Stunden bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und dem Schmelzpunkt des Verbundmaterials durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, nach Bilden der Dünnschicht des Bindemittels ferner ein Wärmebehandeln des Bindemittelfilms bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Bindemittelfilms an Luft oder in einem Vakuum oder in Gegenwart eines inerten Gases, eines wasserstoffhaltigen Gases oder eines Gases, das ein nichtmetallisches, das Verbundmaterial bildendes Element enthält, umfassend.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein elektrisches Feld an die Stücke des Verbundmaterials angelegt wird, die während der Wärmebehandlung zum Bilden der direkt gebundenen Grenzschicht verbunden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Druck auf die Stücke des Verbundmaterials ausgeübt wird, die während der Wärmebehandlung zum Bilden der direkt gebundenen Grenzschicht verbunden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmebehandlung zum Bilden der direkt gebundenen Grenzschicht unter einem Druck im Bereich von 0–100 Mpa durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmebehandlung zum Bilden der direkt gebundenen Grenzschicht an Luft oder in einem Vakuum oder in Gegenwart eines inerten Gases, eines wasserstoffhaltigen Gases oder eines Gases, das ein nichtmetallisches, das Verbundmaterial bildendes Element enthält, durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Dicke der Dünnschicht des Bindemittels in einem Bereich von ungefähr 0,001500 μm liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmebehandlung zum Bilden der direkt gebundenen Grenzschicht umfasst:
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hitzebehandlung zur Bildung der direkt gefügten Grenzfläche umfasst: Bilden einer flüssigen Dünnschicht im Grenzflächenbereich zwischen den Stücken des zu verbindenden Verbundmaterials, dabei, durch Erhitzen des Bindemittels über den Schmelzpunkt, der einen Teilschmelzpunkt bezeichnen kann, Erleichtern der Migration von Material in der Grenzfläche; und chemisches Umsetzen des Bindemittels mit dem Ausgangsmaterial und/oder dem nichtmetallischem Element, das das Verbindungsmaterial bildet, welches von einem Atmosphärengas zugeführt wird, zum Einfügen des Bindemittels in das Ausgangs-Verbundmaterials.
Verfahren zum Verbinden von Einkristall-Verbundmaterialien umfassend: (a) Schleifen, Läppen oder Polieren ganzer, oder Teile von zu verbindenden Oberflächen von zwei oder mehr Stücken eines Einkristalls oder Einkristalls eines Mischkristalls; (b) Bilden einer Dünnschicht des Bindemittels mit einer Dicke im Bereich von 0,001–500 μm, durch jeweils entweder Einfügen, Auftragen, Abscheiden, Plattieren oder Beschichten auf mehr als einer Oberfläche der zu verbindenden Stücke, wobei das Bindemittel ein metallisches Element enthält, das nach Wärmebehandlung in den Ausgangs-Einkristall eingebracht werden kann; (c) Anordnen der Stücke des Einkristalls oder des Einkristalls eines Mischkristalls derart, dass deren Oberflächen, auf die die Dünnschichten des Bindemittels aufgebracht wurden, einander gegenüber angeordnet sind; und (d) Bilden einer direkt gebundenen Grenzfläche ohne eine zweite Phase durch Wärmebehandlung der Stücke bei einer Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt, der ein Teilschmelzpunkt sein kann, und dem Siedepunkt des Bindemittels für ungefähr 1 Minute bis 10 Stunden an Luft oder in einem Vakuum oder in Gegenwart eines inerten Gases, eines wasserstoffhaltigen Gases oder eines Gases, das ein nicht-metallisches Element enthält, das den zu verbindenden Einkristall bildet.