一种蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方法技术

本发明专利技术属于蓝宝石领域，一种蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方法，包括以下步骤：将蓝宝石晶片裁切后进行表面抛光处理；将夹具擦洗干净，避免夹具表面具有硬质质点；采用夹具夹装蓝宝石进行充分固定并施压；设置好加热器目标温度，对夹具及蓝宝石晶片加热。待两片蓝宝石晶片界面不明显时，继续保温，随后缓慢冷却。本发明专利技术方法无需外加钎料，应用本方法制成的焊接接头成分即为蓝宝石，均匀化好、透明度高。透明度高。透明度高。

【技术实现步骤摘要】
一种蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方法


[0001]本专利技术属于蓝宝石领域，具体来说是一种蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方法。

技术介绍

[0002]蓝宝石，即α-Al2O3，是一种具有高硬度、高熔沸点、高耐磨性等优秀性能的晶体材料。同时由于其透光性好，透射光散射率低，已被广泛应用在激光医疗与制造、航空航天、军事工业等领域，比如用于制作深潜器材舷窗和装甲车观察窗。同时相关领域对大尺寸蓝宝石晶片的需求与日俱增。
[0003]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大尺寸蓝宝石晶片的需求。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。
[0004]现有的连接蓝宝石晶片的方法包括浆液粘接法和钎焊法。浆液粘接法并没有实现晶片之间原子层面的结合，因而力学性能很差，光学性能也并不佳，满足不了高端场合的应用需求。钎焊方法虽实现了晶片之间原子层面的结合，但现有钎料以活泼金属及其化合物为主，具有焊接接头有不透明的缺陷，相当影响产品外观，且不能应用于光学仪器和窗面等大尺寸透射部件。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服了当前提拉法制作的晶片尺寸过小，而粘结法可靠性不强，同时钎焊接头透明度不高等缺陷。从实现蓝宝石原子层面的结合、提高接头力学和光学性能的角度出发，提供了一种利用蓝宝石和夹具材料的热膨胀系数差，在高温条件下实现蓝宝石晶片接触面充分互相挤压，以促进界面原子互相扩散的连接方法，可以实现上述专利技术目标。
[0006]为达到上述目的，本专利技术具体实施技术方案如下：
[0007]一种蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方法，包括以下步骤：
[0008]将蓝宝石晶片裁切后进行表面抛光处理；
[0009]将夹具擦洗干净，避免夹具表面具有硬质质点；
[0010]采用夹具夹装蓝宝石进行充分固定并施压；
[0011]设置好加热器目标温度，对夹具及蓝宝石晶片加热。
[0012]待两片蓝宝石晶片界面处发生相互融合时，继续保温，随后缓慢冷却。
[0013]进一步的，表面抛光处理后的蓝宝石表面粗糙度Ra<1.000nm。
[0014]进一步的，所述缓慢冷却为每次降低温度100℃，达到预设温度后保温10分钟后再次降温；加热器温度降低到200～300℃后关闭加热器，在室温中冷却。
[0015]进一步的，所述目标温度为1900℃～2000℃。
[0016]进一步的，待两片蓝宝石晶片界面处发生相互融合时，继续保温1～3小时。
[0017]进一步的，所述夹具包括底板和设置于底板两侧的侧板，所述侧板设置于底板上方，与底板垂直，一侧侧板上设置有2个对称设置的紧固螺栓孔，所述紧固螺栓孔为圆形，所述紧固螺栓孔内部设置有螺栓，用于对夹具内的蓝宝石进行固定。
[0018]进一步的，调节夹具侧板上的螺栓对蓝宝石进行充分固定，螺栓拧紧后回退1/4圈～1/2圈。
[0019]进一步的，所述夹具为耐高温材质。
[0020]进一步的，所述夹具的热膨胀系数比蓝宝石的热膨胀系数小。
[0021]进一步的，所述夹具材质为钨。
[0022]有益效果
[0023]采用上述技术方案，本专利技术可以克服了现有提拉方法下蓝宝石晶片尺寸不大的缺点，提供了一种基于高温自膨胀压力扩散的蓝宝石连接方法，可以拓宽蓝宝石晶片的应用领域。此外，本专利技术克服了现有粘结法、钎焊法等方法的不足，提供了一种依靠两晶片紧密接触，高温条件下原子互相扩散从而实现两蓝宝石晶片相互连接的方法。由于无需外加钎料，应用本方法制成的焊接接头成分即为蓝宝石，均匀化好、透明度高。现有的技术有的通过机械加压，这样所需的机构复杂且难以在高温下使用；或者使用重物压在焊接结构上，这样的方式加压的压力较小，难以实现焊接面之间的紧密结合。本专利技术技术方案克服了上述两种方式的缺点，结构简单，且由于热膨胀产生的压力很大，可达数十到数百兆帕，有利于实现焊接面的紧密结合。
附图说明
[0024]图1是蓝宝石高温自膨胀压力扩散焊接实验装置正视示意图；
[0025]图2是夹具示意图；
[0026]图中：1、紧固螺栓孔；2、蓝宝石晶片接触面；3、待连接的蓝宝石晶片，4、夹具。
具体实施方式
[0027]下面结合附表实验数据对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
[0028]实施例一
[0029]一种蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方法，包括以下步骤：
[0030]步骤一：按所需尺寸裁切蓝宝石晶片，进行表面处理，保证连接面平整而光洁。本实施例优选要求表面抛光处理后的蓝宝石表面粗糙度Ra<1.000nm。
[0031]步骤二：准备好选材具有耐高温特性的夹具；本实施例优选钨W作为夹具材料，因为其熔点高于焊接温度，且在此过程中热膨胀系数始终比蓝宝石要小。“准备”的过程包括擦洗干净，以免表面硬质质点划伤蓝宝石晶片。
[0032]步骤三：夹装蓝宝石并施压。调节夹具左侧开口螺栓对蓝宝石进行充分固定，优选地，为避免挤碎蓝宝石或是加热过程中蓝宝石内应力过大造成崩裂，螺栓拧紧后需回退1/4圈～1/2圈。
[0033]步骤四：设置好加热器目标温度，对夹具及蓝宝石晶片加热。设置目标温度的范围为1900℃～2000℃。本实施例优选加热目标温度2000℃。
[0034]步骤五：待两片蓝宝石晶片界面处发生相互融合之后，继续保温一段时间，随后缓慢冷却。保温时间与目标接头质量相关，通常要求接头均匀化、透明度越高，停留时间越长。保温时间一般为1-3小时。优选地，保温时间越长，接头成分均匀化越高、性能越好。本实施例优选每次降低温度100℃，达到预设温度后保温10分钟，再次降温。加热器温度降低到200～300℃后关闭加热器，在室温中冷却。
[0035]缓慢降温是为了防止降温过快造成蓝宝石碎裂。通常用逐级降低加热器目标温度的方法进行。
[0036]所述夹具包括底板和设置于底板两侧的侧板，所述侧板设置于底板上方，与底板垂直，一侧侧板上设置有2个对称设置的紧固螺栓孔，所述紧固螺栓孔为圆形，所述紧固螺栓孔内部设置有螺栓，用于对夹具内的蓝宝石进行固定。
[0037]所述夹具材质为钨，所述夹具具有耐高温的特性，熔点为3422℃；其热膨胀系数在本专利技术涉及的温度范围内均比蓝宝石的小。蓝宝石在室温到1000℃的热膨胀系数约为6.5
×
10-6
/K，在1000-2000℃的热膨胀系数约为8.5
×
10-6
/K。相应地，金属钨在室温到1000℃的热膨胀系数约为4.5
×
10-6
/K，在1000-2000℃的热膨胀系数约为6.5
×
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：将蓝宝石晶片裁切后进行表面抛光处理；将夹具擦洗干净，避免夹具表面具有硬质质点；采用夹具夹装蓝宝石进行充分固定并施压；设置好加热器目标温度，对夹具及蓝宝石晶片加热；待两片蓝宝石晶片界面处发生相互融合时，继续保温，随后缓慢冷却。2.根据权利要求1所述的蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方法，其特征在于，表面抛光处理后的蓝宝石表面粗糙度Ra<1.000nm。3.根据权利要求1所述的蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方法，其特征在于，所述缓慢冷却为：每次降低温度100℃，达到预设温度后保温10分钟后再次降温；加热器温度降低到200～300℃后关闭加热器，在室温中冷却。4.根据权利要求1所述的蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方法，其特征在于，所述目标温度为1900℃～2000℃。5.根据权利要求4所述的蓝宝石的高温自膨胀压力扩散焊接方...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔炜，刘思沾，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：