專利名稱：陶瓷和鋁或鋁合金的表面金屬化連接方法
技術領域：
本發明涉及一種陶瓷和鋁或鋁合金的表面金屬化連接方法。
背景技術：
陶瓷具有耐磨、耐蝕、耐高溫等獨特的性能，是一種重要的工程材料。此外，陶瓷還 具有良好的導熱和絕緣性能，也是一種良好的電子封裝材料。由于陶瓷比較脆、機械加工困 難、導電性能差或者不導電，在許多場合往往需要將其和金屬連接制作復合材料或者復合 結構件，而鋁是目前僅次于鋼鐵，應用最為廣泛的工程材料和導電材料，鋁和陶瓷的連接具 有重大的實用價值。有關陶瓷和鋁的連接方法已經開展了許多研究，先后開發了真空釬焊法、固相連 接法、摩擦焊接法、高真空清潔壓接法、超聲波振動壓接法、鑄接法等連接方法。其中真空 釬焊法是在陶瓷和鋁材之間放入低熔點的鋁合金作為焊料，然后在氮氣等惰性氣體氣氛、 或還原性氣體氣氛中，或者在10-3 以上的高真空中加熱使鋁合金焊料熔化，將陶瓷和鋁 焊接在一起。固相連接法與釬焊法基本相同，不同之處在于加熱溫度較低，焊接過程中沒 有液體產生；需要施加足夠大的壓力，以使鋁和陶瓷連接面相接觸。采用這些方法雖然能 夠將鋁和陶瓷連接，但是由于鋁的化學性質非常活潑，其與氧的平衡分壓在1000°C以下的 溫度范圍內小于10-42 ，鋁的表面總是存在著氧化膜，鋁和陶瓷不潤濕，連接界面存在著大 量的未連接缺陷，連接體的力學性能差[X. S. Ning, T. Okamoto, Y. Miyamoto, A. Koreeda, K. Suganuma, and S. Goda, Bond strength and interfacial structure of silicon nitride joints brazed with aluminium-silicon and aluminium-magnesium alloys, Journal of Materials Science, 26 卷(1991 年)2050-2054 頁；Ε· Saiz ;Α· P. Tomsia ； K. Sugamuma, Wetting and strength issues at Al/α -alumina interfaces, Journal of European Ceramic Society，23 卷(2003 年)2787-2796 頁]，影響其實際應用。為了消除氧化膜的影響，人們先后發明了摩擦壓接法、超聲波振動壓接法、超高真 空清潔壓接法以及鑄接法。其中摩擦壓接法是將陶瓷和鋁加壓接觸后使它們相互摩擦以 除去鋁表面的氧化膜，然后利用摩擦產生的熱使得陶瓷和鋁壓接在一起；超聲波振動法的 基本原理與摩擦壓接法相同，不同之處在于摩擦是由超聲波振動產生的；超高真空清潔壓 接法是先在真空中用離子轟擊的方法除去鋁表面的氧化膜，然后在KT6Pa以上的超高真空 中，把鋁和陶瓷壓接在一起；鑄接法是通過將陶瓷插入鋁液中運動以除去鋁表面的氧化膜， 然后使部分鋁液鑄接在陶瓷上，實現陶瓷和金屬的連接。雖然這些方法或多或少地可以除 去鋁表面的氧化膜，改善陶瓷和鋁的連接界面的性能，但是它們也存在許多缺點和不足。例 如摩擦壓接法、超聲波壓接法以及高真空清潔壓接法需要施加很大的壓力，因此對金屬或 者陶瓷的形狀有限制，并且連接后的尺寸精度也很難保證；而鑄接法本質是鑄造方法，一方 面金屬內部容易出現鑄造缺陷，另一方面其形狀及表面精度也受到制約。
發明內容
為了解決鋁表面原生氧化膜妨礙鋁和陶瓷的連接，造成連接體性能差的問題，發 明人長期以來開展了大量的研究。研究發現通過將陶瓷浸入鋁合金熔液中移動以除去鋁表 面的原生氧化膜，然后將其移出，可以使陶瓷表面粘附上一層鋁合金液膜，用此液膜作為釬 焊料，可以將陶瓷與鋁或鋁合金部品或材料牢固地連接在一起，從而完成了本發明。本發明的目的是提供一種連接陶瓷和鋁或鋁合金的方法。本發明所提供的連接陶瓷和鋁或鋁合金的方法，包括如下步驟1)使陶瓷的連接 面上形成鋁合金1液膜，得到連接面覆有所述鋁合金1液膜的陶瓷；幻在所述連接面覆有 所述鋁合金1液膜的陶瓷的鋁合金1液膜上放置純鋁或鋁合金2，以所述鋁合金1液膜為焊 料，使所述連接面覆有所述鋁合金1液膜的陶瓷與所述純鋁或鋁合金2釬焊在一起；所述釬 焊的溫度高于所述鋁合金1的熔化溫度且低于所述純鋁的熔點，或所述釬焊的溫度高于所 述鋁合金1的熔化溫度且低于所述鋁合金2的熔化溫度。上述方法中，為了防止鋁或鋁合金部件或材料熔化變形，控制釬焊溫度高于鋁合 金1的熔化溫度、且低于鋁或鋁合金2部件或材料的熔點或熔化溫度(即所述釬焊溫度高 于鋁合金1的熔化溫度且低于所述純鋁的熔點，或所述釬焊溫度高于鋁合金1的熔化溫度 且低于所述鋁合金2的熔化溫度)。所述方法中，所述步驟1)中使陶瓷的連接面上形成鋁合金1液膜的方法包括如下 操作步驟將所述陶瓷的連接面浸入所述鋁合金1熔液中，并使其相對熔液運動和/或使其 在熔液中靜置，以使熔液潤濕陶瓷的連接面，再將陶瓷的連接面移出熔液，使陶瓷的連接面 上粘附鋁合金1液膜。所述鋁合金1可為鋁硅二元合金、鋁-硅-鎂三元合金。所述鋁或鋁合金2可為任何商用純鋁或鋁合金。所述陶瓷可為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷。所述使陶瓷連接面上形成鋁合金1的液膜的操作及所述將所述釬焊的操作可在 真空、惰性氣體氛圍或或還原性氣體氛圍中進行。圖1所示為采用本發明方法制備的氧化鋁陶瓷和鋁的連接樣品的界面處的高分 辨率透射電子顯微鏡圖像以及各個微區的電子衍射圖像。氧化鋁陶瓷晶粒(圖中最右 側)和鋁(圖中最左側)發生界面反應，在它們之間長出了新的氧化鋁層。從它們的晶 格圖像和衍射圖像可知，新氧化鋁的(104)晶面與原有氧化鋁陶瓷晶粒的(104)面共格， (110)面與鋁的(111)面半共格。鋁直接生長在氧化鋁晶粒之上，鋁和陶瓷在原子尺度上 生長在一起。理論計算表明氧化鋁和鋁的共格界面具有較低的界面自由能和很大的結 合力[W. Zhang ；J. R. Smith ；Nonsoichiometric Interfaces and Al2O3 Adhension with Al and Ag, Physical Review Letters，85 卷(2000 年)3225-32 頁]。該界面沒有普 通釬焊界面普遍存在的、源自鋁表面原生氧化膜的非晶態氧化物夾雜(有關普通釬焊法 界面存在的、源自鋁材表面氧化膜的氧化物夾雜，導致界面產生未連接缺陷的報道可以參 看下列文獻Χ· S. Ning，K. Suganuma，Μ. Morita and Τ. Okamoto，Interfacial reaction between silicon nitride and aluminium， Philosophical Magazine letter,55 卷， (1987 年)，93-96 頁；Ε. Saiz ；Α. P. Tomsia ；K.Sugamuma, Wetting and strength issues at Al/α -alumina interfaces， Journal of European Ceramic Society,23 卷(2003年)2787-2796頁)。顯然，與普通釬焊法相比，本發明的方法可以有效地除去鋁(鋁合金) 表面的原生氧化膜，使鋁或鋁合金和陶瓷充分潤濕，避免界面出現未連接缺陷。與現有技術相比，本發明采用了獨自的表面金屬化連接方法，即首先在陶瓷的連 接面上形成鋁合金1的液膜，然后用所述液膜作為焊料，進行鋁或鋁合金2部件或材料與陶 瓷的連接。本發明方法具有下列突出優點可以有效防止液膜和陶瓷的界面夾雜原生氧化 膜，使鋁合金與陶瓷充分潤濕，防止界面產生未連接缺陷；陶瓷連接面上形成的鋁合金液膜 內部沒有氧化物夾雜，可以直接用于陶瓷和鋁或鋁合金工件的釬焊連接；對所連接的陶瓷 以及鋁或鋁合金部件或材料的形狀沒有嚴格的限制，具有普適性；連接過程中無需施加會 導致鋁或鋁合金部件或材料變形的過大壓力，可以保證連接件的精度；直接用陶瓷表面粘 附的液膜作為焊料，在其上放置被連接件即可連接，便于連續化生產。因此，本發明在陶瓷 和鋁或鋁合金工件的連接領域有廣闊的應用前景。
圖1為采用將陶瓷浸入鋁熔液中移動的方法制備的，氧化鋁陶瓷和鋁的連接體界 面區域的高分辨率透射電子顯微鏡圖像以及各個微區的電子衍射圖像。圖2為本發明采用的陶瓷表面金屬化連接裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。下述實施例所用工業純鋁、5A02鋁合金、2A02鋁合金、Al-20% Si鋁硅合金、工業 純鎂以及所有陶瓷板均從商業途徑得到。在陶瓷的連接面上形成液膜所使用的鋁合金采用 Al-20% Si合金、工業純鎂、純鋁熔化配制而成。下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。本發明部分實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均從商業途徑得到。下述實施例中所使用的陶瓷表面金屬化連接裝置結構如圖2所示該裝置由爐體1、爐蓋2、石墨坩堝3、下部金屬電阻絲加熱體4、石墨導軌5、下部氮 氣導入口 6、導軌窗口 8、鋁帶導入口 10、導輪11、驅動輪12、釬焊后的工件導出口 14、上部 金屬電阻絲加熱體15、上部氮氣導入口 17組成。陶瓷與鋁的連接體標記為13。石墨坩堝設在爐體內下方，下部金屬電阻絲加熱體設于石墨坩堝四周，石墨坩堝 底部和爐體底部設有與導軌相匹配的開口，兩個開口同軸；石墨導軌通過開口穿設于石墨 坩堝和爐體之間，并分別與它們固定連接；石墨導軌為兩平行板，其內部設有供陶瓷板通行 的凹槽，并且在其位于坩堝內部的位置設有窗口 8，以使坩堝中的鋁合金溶液9和導軌中的 陶瓷板7接觸。窗口下方的導軌內面與陶瓷板之間的間隙為0. 1mm，該間隙可保證陶瓷在導軌中 自由移動，而鋁合金熔液不會流出。窗口上方的導軌與陶瓷板之間的間隙為1.3mm，這樣可 以保證陶瓷板表面粘附的鋁合金熔液不與導軌面接觸。鋁帶16從爐體兩側的導入口進入爐內，借助于導輪11置于表面粘附有鋁合金液 膜的陶瓷板兩側，在驅動輪12的牽引和陶瓷板的推動下，從爐蓋上的出口 14移出。導輪、驅動輪與鋁帶的接觸壓力可以通過調整兩個導輪或者兩個驅動輪之間的間隙調節。上、下 部加熱體的溫度可單獨調節。為了防止石墨氧化燃燒，爐體和爐蓋連接處用硅膠密封，爐內 通入氮氣保護。實施例1、采用上述陶瓷表面金屬化連接裝置，將Al-12wt% Si合金放入石墨坩 堝，將氧化鋁陶瓷板(長137mm，寬35mm，厚0. 64mm，清華粵科生產，氧化鋁純度大于95% ) 插入通過坩堝的石墨導軌中，將厚度為0. 5mm的鋁帶從入口導入，穿過導輪和驅動輪從出 口導出，然后在氮氣氣氛中(上、下氮氣入口流速均為20升/min)加熱，使鋁合金熔化并升 溫到730°C。將另一塊氧化鋁陶瓷板從裝置下部的導軌入口以68. 5mm/min的速度插入導 軌，推動先期插入導軌中的陶瓷板以同樣的速度垂直向上運動。在移動過程中，陶瓷板通過 導軌上的窗口與坩堝中的鋁合金熔液接觸并粘附鋁合金熔液，然后陶瓷板與表面粘附的鋁 合金熔液一起從導軌上部推出。進入導輪之間后與鋁帶接觸，在移動期間，陶瓷表面粘附的 鋁合金液膜與鋁帶發生反應，潤濕鋁帶并將鋁帶釬焊在陶瓷之上，從出口移出。上部加熱體 的溫度設置為600°C，該溫度高于Al-12wt% Si合金的熔化溫度(580°C )，且低于純鋁的熔 點(660°C )。用金剛石切割片將連接后的樣品切斷，制備金相試樣觀察表明，鋁板緊密地連接 在陶瓷板之上，界面未發現未連接之處。從樣品上切出5mm寬的樣品進行90°撕裂強度試 驗，撕裂強度為14. 4N/mm，且斷裂發生在鋁板的夾持部，表明界面連接強度大于該數值。說 明采用該方法可以將陶瓷和鋁牢固地連接在一起。實驗設三次重復，撕裂試驗斷裂均發生在鋁的夾持部，鋁和陶瓷的界面連接強度 分別大于14. 4N/mm、13. 6N/mm、13. 6N/mm。說明界面連接強度大于13. 6N/mm。實施例2、除了將上部加熱體溫度設置為620°C之外，其余與實施例1相同。金相 試樣觀察表明，鋁板緊密地連接在陶瓷板之上，界面未發現未連接之處。撕裂強度為12. ON/ mm，斷裂發生鋁的夾持部。實驗設三次重復。鋁和陶瓷連接界面的強度大于10. 8N/mm。實施例3、除了將合金改為Al_12wt% Si-0. 5wt% Mg合金，上、下氮氣流量降為10 升/分之外，其余與實施例1相同。陶瓷與鋁的連接界面無缺陷，撕裂強度測試斷裂發生在 鋁的夾持部。實驗設三次重復，界面連接強度大于9. 7N/mm。實施例4、除了將氧化鋁陶瓷改為氮化鋁陶瓷之外，其余與實施例1相同。金相試 樣觀察表明，鋁板緊密地連接在陶瓷板之上，界面未發現未連接之處。撕裂強度試驗樣品斷 裂發生鋁的夾持部。實驗設三次重復，鋁和陶瓷連接界面的強度大于9. 5N/mm。同樣，雖然本發明的實施例僅采用純鋁作為實驗材料，但純鋁和鋁合金的釬焊并 無本質區別，因此該方法同樣可以用于其它鋁合金部件或材料的釬焊，唯一的限制是所述 鋁合金部件或材料的熔化溫度必須高于鋁合金焊料的熔化溫度。
權利要求
1.一種連接陶瓷和鋁或鋁合金的方法，包括如下步驟1)使陶瓷的連接面上形成鋁合 金1液膜，得到連接面覆有所述鋁合金1液膜的陶瓷；幻在所述連接面覆有所述鋁合金1液 膜的陶瓷的鋁合金1液膜上放置純鋁或鋁合金2，以所述鋁合金1液膜為焊料，使所述連接 面覆有所述鋁合金1液膜的陶瓷與所述純鋁或鋁合金2釬焊在一起；所述釬焊的溫度高于 所述鋁合金1的熔化溫度且低于所述純鋁的熔點，或所述釬焊的溫度高于所述鋁合金1的 熔化溫度且低于所述鋁合金2的熔化溫度。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟1)中使陶瓷的連接面上形成鋁 合金1液膜的方法包括如下操作步驟將所述陶瓷的連接面浸入所述鋁合金1熔液中，并使 其相對熔液運動和/或使其在熔液中靜置，以使熔液潤濕陶瓷的連接面，再將陶瓷的連接 面移出熔液，使陶瓷的連接面上粘附鋁合金1液膜。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述鋁合金1為鋁硅二元合金。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述鋁合金1為鋁-硅-鎂三元合金。
全文摘要
本發明公開了一種陶瓷和鋁或鋁合金的表面金屬化連接方法。該方法包括如下步驟1)使陶瓷的連接面上形成鋁合金1液膜，得到連接面覆有所述鋁合金1液膜的陶瓷；2)在所述連接面覆有所述鋁合金1液膜的陶瓷的連接面位置上放置純鋁或鋁合金2，以所述鋁合金1液膜為焊料，使所述連接面覆有所述鋁合金1液膜的陶瓷與所述純鋁或鋁合金2釬焊在一起。本發明方法所形成的鋁或鋁合金薄膜與陶瓷之間的界面沒有源自鋁表面氧化膜的氧化物夾雜，牢固不易脫落，90°撕裂強度試驗證明，鋁或鋁合金和陶瓷的界面連接強度超過鋁自身的強度，非常牢固，且界面無缺陷，適于工業生產的需要。因此，本發明方法在陶瓷和鋁或鋁合金的連接領域有廣泛的用途。
文檔編號C04B37/02GK102040393SQ20091023566
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月10日 優先權日2009年10月10日
發明者寧曉山, 李國才, 李莎, 王波 申請人:清華大學