一种缓解多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力的方法技术

本发明专利技术涉及一种缓解多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力的方法，采用以Y2Si2O7层和Y2SiO5层作为过渡层以缓解多孔氮化硅陶瓷与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力；所述Y2Si2O7层的孔隙率为60%以下，所述Y2SiO5层的孔隙率为70%以下；优选地，所述Y2Si2O7层的孔隙率为20～60%，所述Y2SiO5层的孔隙率为30～70%。

【技术实现步骤摘要】
一种缓解多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力的方法
本专利技术涉及一种多孔氮化硅/透明氧氮化铝陶瓷的连接方法，具体涉及一种以Y2Si2O7/Y2SiO5复合过渡层缓解多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力的方法，属于异种陶瓷的连接领域。
技术介绍
多孔氮化硅陶瓷在常温和高温下都具有优良的力学性能，同时还具有良好的热稳定性、低的介电损耗、出色的耐冲蚀性能，是一种综合性能优良的高温透波材料。而透明氧氮化铝(AlON)陶瓷不仅在中红外(λ＜5μm)以下范围内具有高的透过率、低的热辐射、散射及折射等良好的光学性能，还具有耐高温、高强度、高硬度、耐酸碱腐蚀等物理、机械及化学性能。因而，若能将这两种材料有效连接，则有望制备具有微波/红外双重透过性能的天线罩体部件。但是，多孔氮化硅和透明氧氮化铝陶瓷这两种材料的热物理性能差异较大，其热膨胀系数分别为3.2ppm/℃和7.8ppm/℃。当对这两种材料进行连接时，界面处将会产生很大的热应力。另一方面，透明氧氮化铝陶瓷的晶粒尺寸非常大，通常可以达到一两百个微米，因而断裂韧性较低(1.4MPa·m1/2)，热应力的存在将容易导致透明氧氮化铝陶瓷开裂，使得连接失败。针对异质材料连接过程中热膨胀系数失配产生热应力导致连接失效的问题，一种有效的解决方法是引入缓冲层。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种缓解多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力的方法，采用以Y2Si2O7层和Y2SiO5层作为过渡层以缓解多孔氮化硅陶瓷与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力；所述Y2Si2O7层的孔隙率为60％以下，所述Y2SiO5层的孔隙率为70％以下；优选地，所述Y2Si2O7层的孔隙率为20～60％，所述Y2SiO5层的孔隙率为30～70％。在本专利技术中，采用与多孔氮化硅陶瓷热膨胀系数相近的孔隙率为60％以下(优选，20～60％)的Y2Si2O7层(通过孔隙率调节其热膨胀系数约为3.9ppm/℃)和与透明氧氮化铝陶瓷热膨胀系数相近的孔隙率为70％以下(优选，30～70％)的Y2SiO5层(通过孔隙率调节其热膨胀系数约为8.3ppm/℃)构筑Y2Si2O7层/Y2SiO5层作为复合过渡层，将Y2Si2O7一侧与多孔氮化硅陶瓷相连，Y2SiO5一侧与透明氧氮化铝陶瓷一侧相连，然后将Y2Si2O7与Y2SiO5两侧进行连接，而且，Y2SiO5可与焊料中的SiO2反应形成Y2Si2O7,从而形成Y2Si2O7/Y2Si2O7同质界面，缓解多孔氮化硅陶瓷与透明氧氮化铝陶瓷连接过程中的热应力，最终实现两者的有效连接。较佳地，按照多孔氮化硅陶瓷/Y2Si2O7层/Y2SiO5层/透明氧氮化铝陶瓷的次序进行装配，且各层之间加入焊料，然后置于氩气气氛或者氮气气氛中，在1400～1600℃下焊接处理，以实现多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷的连接。具体来说，在Ar气氛或者N2气氛下，1400～1600℃下保温规定时间(例如，20-90分钟)，能够缓解连接过程中多孔氮化硅陶瓷与透明氧氮化铝陶瓷之间热膨胀系数失配所产生的热应力，避免透明氧氮化铝陶瓷开裂，得到无裂纹的多孔氮化硅陶瓷/透明氧氮化铝陶瓷连接件。又，较佳地，所述用于多孔氮化硅陶瓷与Y2Si2O7层、以及透明氧氮化铝陶瓷与Y2SiO5层的氮氧玻璃焊料的原料包括35～48wt％稀土氧化物、23～33wt％氧化铝、9～18wt％氧化硅和10～24wt％氮化硅粉体，各组分质量百分比之和为100wt％；用于Y2Si2O7层和Y2SiO5层连接的氧氮玻璃焊料原料包括35～48wt％稀土氧化物、23～33wt％氧化铝、19～28wt％氧化硅和0～12wt％氮化硅粉体，各组分质量百分比之和为100wt％；优选地，将氧氮玻璃焊料压制成焊接面的尺寸；优选地，将氧氮玻璃焊料压制成焊接面的尺寸。其中，焊接面为多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷的连接面。又，较佳地，所述焊接处理的时间为20～90分钟。较佳地，所述过渡层的总厚度为0.5～10mm，优选为0.5～6mm(过渡层厚度太薄不足以有效缓解热应力，太厚则由于过渡层本身强度不高，影响连接接头强度)。其中，Y2Si2O7层和Y2SiO5层可为等厚和不等厚。较佳地，所述Y2SiO5层的制备方法包括：以Y2O3粉体、SiO2粉体和H3BO3粉体作为原始粉体，再加入溶剂、粘结剂和分散剂并混合，得到固含量23～35vol％的浆料1，所述Y2O3粉体占初始原料总量的60～65vol％，所述SiO2粉体占初始原料总量的33～38vol％，余量为H3BO3粉体；将所得浆料1再经球磨、烘干和过筛后压制成型，得到坯体2；将所得坯体1在1350～1650℃下煅烧10～120分钟，得到所述Y2SiO5层。较佳地，所述Y2Si2O7层的制备方法包括：以Y2O3粉体、SiO2粉体和H3BO3粉体作为初始原料，再加入溶剂、粘结剂和分散剂并混合，得到固含量23～35vol％的浆料2，所述Y2O3粉体占初始原料总量的41～49vol％，所述SiO2粉体占初始原料总量的49～57vol％，余量为H3BO3粉体；将所得浆料2再经球磨、烘干和过筛后压制成型，得到坯体2；将所得坯体2在1350～1650℃下煅烧10～120分钟，得到所述Y2Si2O7层。又，较佳地，所述Y2O3粉体的粒径为0.5～5μm，纯度为99％；所述SiO2粉体的粒径为0.3～2μm，纯度为99％；所述H3BO3粉体的粒径为1～3μm，纯度为99％。较佳地，所述压制成型的方式为干压成型或/和等静压成型；优选地，先干压成型后等静压成型；更优选地，所述干压成型的压力为20～80MPa，所述等静压成型的压力为150～280MPa。较佳地，所述溶剂为乙醇、去离子水、叔丁醇中的至少一种。又，优选地，所述浆料1和浆料2中还包括粘结剂和分散剂，所述粘结剂为聚乙烯缩丁醛PVB、聚乙二醇PVA、环糊精中的至少一种、加入量为初始原料的0.5～5.0wt％；所述分散剂为四甲基氢氧化铵TMAH、磷酸三乙酯、蓖麻油中的至少一种、加入量为初始原料的1.0～3.0wt％。较佳地，所述球磨的时间为3～6小时，转速为250～450rpm。较佳地，所述过筛的目数为100～400目。有益效果：本专利技术中以Y2Si2O7为过渡层先与多孔氮化硅陶瓷进行连接，再以Y2SiO5为过渡层与透明氧氮化铝陶瓷进行连接，最后将Y2Si2O7与Y2SiO5进行连接，能够实现两种材料热膨胀系数的平缓过渡，缓解多孔氮化硅陶瓷与透明氧氮化铝陶瓷连接过程中的热应力，避免透明氧氮化铝陶瓷开裂，实现两者的有效连接。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备的Y2Si2O7的微观形貌图像；图2为本专利技术实施例2中制备的Y2SiO5的微观形貌图像；图3为实施例3中采用Y2Si2O7层/Y2SiO5层作为复合过渡层连接多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷的光学图像。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。在本公开中，选用Y2Si2O7层(孔隙率为60％以下的Y2Si2O7)/Y2SiO5层(孔隙率为70％以下的Y2SiO5)作为过渡层缓解多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力。具体来说，利用Y2Si2O7层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种缓解多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力的方法，其特征在于，采用以Y2Si2O7层和Y2SiO5层作为过渡层以缓解多孔氮化硅陶瓷与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力；所述Y2Si2O7层的孔隙率为60%以下，所述Y2SiO5层的孔隙率为70%以下；优选地，所述Y2Si2O7层的孔隙率为20～60%，所述Y2SiO5层的孔隙率为30～70%。

【技术特征摘要】
1.一种缓解多孔氮化硅与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力的方法，其特征在于，采用以Y2Si2O7层和Y2SiO5层作为过渡层以缓解多孔氮化硅陶瓷与透明氧氮化铝陶瓷连接过程热应力；所述Y2Si2O7层的孔隙率为60%以下，所述Y2SiO5层的孔隙率为70%以下；优选地，所述Y2Si2O7层的孔隙率为20～60%，所述Y2SiO5层的孔隙率为30～70%。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照多孔氮化硅陶瓷/Y2Si2O7层/Y2SiO5层/透明氧氮化铝陶瓷的次序进行装配，且各层之间加入焊料，然后置于氩气气氛或者氮气气氛中，在1400～1600℃下焊接处理，以实现多孔氮化硅陶瓷与透明氧氮化铝陶瓷的连接。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述用于多孔氮化硅陶瓷与Y2Si2O7层、以及透明氧氮化铝陶瓷与Y2SiO5层的氮氧玻璃焊料的原料包括35～48wt%稀土氧化物、23～33wt%氧化铝、9～18wt%氧化硅和10～24wt%氮化硅粉体，各组分质量百分比之和为100wt%；用于Y2Si2O7层和Y2SiO5层连接的氧氮玻璃焊料原料包括35～48wt%稀土氧化物、23～33wt%氧化铝、19～28wt%氧化硅和0～12wt%氮化硅粉体，各组分质量百分比之和为100wt%；优选地，将氧氮玻璃焊料压制成焊接面的尺寸。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述焊接处理的时间为20～90分钟。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述过渡层的总厚度为0.5～10mm，优选为0.5～6mm。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述Y2SiO5层的制备方法包括：以Y2O3粉体、SiO2粉体和H3BO3粉体作为原始粉体，再加入溶剂并混合，得到固含量23～35vol%...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾宇平，梁汉琴，左开慧，夏咏锋，姚冬旭，尹金伟，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31