一种玻璃焊料及其制备方法和应用技术

一种玻璃焊料及其制备方法和应用，涉及一种焊料及其制备方法和应用。本发明专利技术是要解决现有的玻璃焊料在连接多孔氮化硅陶瓷与致密氮化硅陶瓷的接头强度剪切强度较低的技术问题。本发明专利技术的玻璃焊料是由MgO、Al2O3、Li2O和SiO2组成。本发明专利技术的玻璃焊料是按以下方法制备的：一、混料；二、熔融；三、淬火；四、球磨；五、干燥。本发明专利技术的玻璃焊料应用于连接多孔氮化硅陶瓷与多孔氮化硅陶瓷、连接致密氮化硅陶瓷与致密氮化硅陶瓷，以及连接多孔氮化硅陶瓷与致密氮化硅陶瓷。本发明专利技术所制备的玻璃焊料与现有的玻璃焊料相比，焊料对氮化硅陶瓷的高温润湿性好，有效地提高了多孔氮化硅陶瓷与致密氮化硅陶瓷的连接质量。

A glass solder and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种玻璃焊料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种焊料及其制备方法和应用。
技术介绍
氮化硅(Si3N4)陶瓷是一种先进陶瓷材料，由于其具有高强度、耐高温、热膨胀系数低、耐腐蚀等优异特性，可用于航空航天、机械、微电子等多个领域。其中，多孔氮化硅陶瓷具有高孔隙率(孔隙率可达50％以上)和优异的介电性能(介电常数≤3.2，介电损耗≤0.005)，同时该材料具有轻质高强的性能，在工程领域广泛被用于天线罩、分离膜、催化剂载体及高温气体过滤装置等。但由于多孔氮化硅的开孔结构，使其具有较大的比表面积，暴露在潮湿环境中十分容易吸潮，造成介电性能恶化，从而影响其功能特性，同时其抗雨蚀性能差。而致密氮化硅陶瓷具有优异介电性能的同时，其强度和抗雨蚀性能远高于多孔氮化硅陶瓷，但其密度高于多孔氮化硅陶瓷。因此。将多孔氮化硅与致密氮化硅陶瓷进行连接有望形成一种具有微波透过功能/耐雨蚀的陶瓷天线罩结构，充分发挥多孔氮化硅与致密氮化硅陶瓷的结构-功能的集成优势。金属钎焊是陶瓷连接较为广泛使用的方法之一，然而由于金属材料的导电特性，具有较差的介电性能，因此不适用于透波功能材料的连接。另一方面，氮化硅陶瓷的热膨胀系数较低为3.2×10-6/℃，金属材料具有较高的热膨胀系数，如常用的Ag-Cu-Ti活性钎料热膨胀系数≥1.8×10-5/℃，与氮化硅陶瓷热膨胀系数差异较大，造成接头残余应力较大，同时仅可在≤500℃的低温范围内使用，从而限制了氮化硅陶瓷连接件的高温应用。微晶玻璃连接是一种新型的陶瓷连接技术，类似于钎焊技术，将玻璃作为焊料置于被连接材料之间，通过高温熔化、降温析晶过程，形成结晶相与残余玻璃相复合组织的接头结构，可通过调整玻璃中间层的析晶行为，调控中间层与两侧母材的热膨胀系数相匹配，得到可靠的接头。该技术在氮化硅陶瓷连接方面报道稀少，CN108147671A和CN108640522A分别报道了一种用于连接多孔氮化硅与致密氮化硅陶瓷的微晶玻璃焊料体系MgO-Li2O-Al2O3-SiO2-B2O3和CaO-Li2O-Al2O3-SiO2，说明了微晶玻璃连接氮化硅陶瓷的可行性，接头强度剪切强度＜50MPa。为了进一步实现多孔氮化硅与致密氮化硅可靠的连接，提高接头连接强度，需采取措施在提高微晶玻璃焊料自身强度、焊料与母材的热匹配性以及焊料与母材界面结合等方面进行改进。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的玻璃钎料在连接多孔氮化硅陶瓷与致密氮化硅陶瓷的接头强度剪切强度较低的技术问题，而提供一种玻璃焊料及其制备方法和应用。本专利技术的玻璃焊料按质量分数是由7％～11％的MgO、27％～34％的Al2O3、6％～8％的Li2O和52％～56％的SiO2组成。本专利技术的玻璃焊料是按以下方法制备的：一、混料：以Li2CO3粉体、MgO粉体、Al2O3粉体和SiO2粉体作为初始原料，按照玻璃焊料的成分及质量分数MgO为7％～11％、Al2O3为27％～34％、Li2O为6％～8％和SiO2为52％～56％对初始原料进行称重，在烧杯中对初始原料进行搅拌混合0.5h～1h，将所得混合粉体放入高纯氧化铝坩埚或纯铂金坩埚中，压实；二、熔融：将步骤一中压实的混合粉体在温度为1550℃～1600℃的空气炉中熔融2h～3h，得到玻璃熔液；三、淬火：将玻璃熔液从空气炉中快速取出并倒入去离子水中淬火处理，液体玻璃经过快冷迅速凝固并炸裂得到玻璃熔块；(本步骤是为了得到非晶玻璃熔块，在水中淬火处理使得玻璃熔体在较大的冷速条件下，来不及析晶，完全转变为非晶玻璃态，有利于连接应用)；四、球磨：将玻璃熔块采用球磨处理得到玻璃焊料粉体，球磨工艺为采用玛瑙研磨罐、氮化硅研磨球和酒精进行湿磨，转速为350转/分钟～450转/分钟，球磨时间4h～6h；五、干燥：球磨后的玻璃焊料置于干燥箱中，在温度为60℃～100℃的条件下干燥4h～8h，得到玻璃焊料粉(粒径≤10μm)。本专利技术的步骤一中的引入Li2CO3代替Li2O，因为Li2CO3在高温1310℃以上煅烧过程中会分解为Li2O和CO2。本专利技术的玻璃焊料应用于连接多孔氮化硅陶瓷与多孔氮化硅陶瓷、连接致密氮化硅陶瓷与致密氮化硅陶瓷，以及连接多孔氮化硅陶瓷与致密氮化硅陶瓷。本专利技术的玻璃焊料的使用方法如下：一、母材预处理：母材中如果有致密氮化硅陶瓷：采用1μm金刚石研磨膏对致密氮化硅陶瓷的待连接面进行打磨抛光处理，得到待连接面；母材中如果有多孔氮化硅陶瓷：将多孔氮化硅陶瓷的待连接面磨平即可；将待连接的两个氮化硅陶瓷置于酒精中，超声波清洗5min～10min，吹干待用；二、玻璃焊料采用压片的方式制成中间层置于被连接的两个氮化硅陶瓷之间，并采用粘结剂将待连接的两个氮化硅陶瓷固定；所述的粘结剂为502胶水、101胶水、乙二醇或质量分数为2％的羟乙基纤维素水溶液；玻璃焊料还可以与有机粘结剂混合成浆料，涂覆于待连接的两个氮化硅陶瓷表面；所述的有机粘结剂为乙二醇或质量分数为2％的羟乙基纤维素水溶液；三、将待连接的两个氮化硅陶瓷用石墨夹具固定，置于真空钎焊炉或气氛炉中；在真空或保护气氛下以5℃/min～10℃/min从室温升温至300℃～350℃并保温10min～30min，然后在真空或保护气氛下以5℃/min～10℃/min升温至1300℃～1360℃并保温5min～30min，在真空或保护气氛下以5℃/min～10℃/min降温至300℃～350℃，在真空或保护气氛下随炉冷却，完成整个连接过程。本专利技术设计了一种Li2O-MgO-Al2O3-SiO2(LMAS)玻璃体系焊料用于连接氮化硅陶瓷，以生成β-锂辉石与镁铝尖晶石复合晶相结构的微晶玻璃，与两侧氮化硅陶瓷母材热膨胀系数匹配，缓解多孔氮化硅陶瓷与致密氮化硅陶瓷连接过程的热应力，同时使得接头具有耐高温性。本专利技术的玻璃焊料与母材的良好润湿性，得到的接头结合强度优异。本专利技术的Li2O-MgO-Al2O3-SiO2玻璃焊料的玻璃转变温度约为620℃左右，玻璃软化温度在660℃左右，经过析晶后的微晶玻璃在1000℃以内未发生软化，说明其具有抗1000℃以下高温的能力。本专利技术可以实现多孔氮化硅陶瓷和致密氮化硅陶瓷的连接，接头结构为：多孔氮化硅陶瓷/玻璃过渡浸渗层/β-锂辉石+镁铝尖晶石微晶玻璃层/致密氮化硅陶瓷。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用Li2O-MgO-Al2O3-SiO2玻璃焊料在1300℃～1360℃实现了多孔氮化硅陶瓷和致密氮化硅陶瓷的连接，焊缝中间层析出β-锂辉石和镁铝尖晶石等微晶相，形成了具有耐高温特性的微晶玻璃中间层，接头可承受1000℃以下的使用温度，同时焊料向多孔氮化硅陶瓷一侧浸渗形成玻璃过渡浸渗层，解决了多孔氮化硅陶瓷与致密氮化硅陶瓷连接的关键技术问题，并且避免了施加大压力的连接方法无法连接复杂陶瓷材料构件以及大压力对多孔氮化硅陶瓷容易造成损伤的问题，从而进一步开拓了多孔氮化硅陶瓷在高温气体过滤、天线罩等高温领域的应用。本专利技术所制备的Li2O-MgO-Al2O3-SiO2玻璃焊料与现有的玻璃焊料相比，焊料对氮化硅陶瓷的高温润湿性好，有效地提高了多孔氮化硅陶瓷与致密氮化硅陶瓷的连接质量(接头的室温强度为50MPa～110MPa)。附图说明图1是试验一制备的玻璃焊料的SEM图；图2是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种玻璃焊料，其特征在于玻璃焊料按质量分数是由7％～11％的MgO、27％～34％的Al2O3、6％～8％的Li2O和52％～56％的SiO2组成。

【技术特征摘要】
1.一种玻璃焊料，其特征在于玻璃焊料按质量分数是由7％～11％的MgO、27％～34％的Al2O3、6％～8％的Li2O和52％～56％的SiO2组成。2.根据权利要求1所述的一种玻璃焊料，其特征在于所述的玻璃焊料按质量分数是由10％的MgO、29％的Al2O3、7％的Li2O和54％的SiO2组成。3.如权利要求1所述的一种玻璃焊料的制备方法，其特征在于玻璃焊料的制备方法具体是：一、混料：以Li2CO3粉体、MgO粉体、Al2O3粉体和SiO2粉体作为初始原料，按照玻璃焊料的成分及质量分数MgO为7％～11％、Al2O3为27％～34％、Li2O为6％～8％和SiO2为52％～56％对初始原料进行称重，在烧杯中对初始原料进行搅拌混合0.5h～1h，将所得混合粉体放入高纯氧化铝坩埚或纯铂金坩埚中，压实；二、熔融：将步骤一中压实的混合粉体在温度为1550℃～1600℃的空气炉中熔融2h～3h，得到玻璃熔液；三、淬火：将玻璃熔液从空气炉中快速取出并倒入去离子水中淬火处理，液体玻璃经过快冷迅速凝固并炸裂得到玻璃熔块；四、球磨：将玻璃熔块采用球磨处理得到玻璃焊料粉体，球磨工艺为采用玛瑙研磨罐、氮化硅研磨球和酒精进行湿磨，转速为350转/分钟～450转/分钟，球磨时间4h～6h；五、干燥：球磨后的玻璃焊料置于干燥箱中，在温度为60℃～100℃的条件下干燥4h～8h，得到玻璃焊料粉。4.根据权利要求3所述的一种玻璃焊料的制备方法，其特征在于步骤一中按照按质量分数MgO为10％、Al2O3为29％、Li2O为7％...

【专利技术属性】
技术研发人员：张杰，孙良博，刘春凤，方健，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23