陶瓷和铝或铝合金的表面金属化连接方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷和铝或铝合金的表面金属化连接方法。该方法包括如下步骤：１）使陶瓷的连接面上形成铝合金１液膜，得到连接面覆有所述铝合金１液膜的陶瓷；２）在所述连接面覆有所述铝合金１液膜的陶瓷的连接面位置上放置纯铝或铝合金２，以所述铝合金１液膜为焊料，使所述连接面覆有所述铝合金１液膜的陶瓷与所述纯铝或铝合金２钎焊在一起。本发明专利技术方法所形成的铝或铝合金薄膜与陶瓷之间的界面没有源自铝表面氧化膜的氧化物夹杂，牢固不易脱落，９０°撕裂强度试验证明，铝或铝合金和陶瓷的界面连接强度超过铝自身的强度，非常牢固，且界面无缺陷，适于工业生产的需要。因此，本发明专利技术方法在陶瓷和铝或铝合金的连接领域有广泛的用途。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
陶瓷具有耐磨、耐蚀、耐高温等独特的性能，是一种重要的工程材料。此外，陶瓷还 具有良好的导热和绝缘性能，也是一种良好的电子封装材料。由于陶瓷比较脆、机械加工困 难、导电性能差或者不导电，在许多场合往往需要将其和金属连接制作复合材料或者复合 结构件，而铝是目前仅次于钢铁，应用最为广泛的工程材料和导电材料，铝和陶瓷的连接具 有重大的实用价值。有关陶瓷和铝的连接方法已经开展了许多研究，先后开发了真空钎焊法、固相连 接法、摩擦焊接法、高真空清洁压接法、超声波振动压接法、铸接法等连接方法。其中真空 钎焊法是在陶瓷和铝材之间放入低熔点的铝合金作为焊料，然后在氮气等惰性气体气氛、 或还原性气体气氛中，或者在10-3 以上的高真空中加热使铝合金焊料熔化，将陶瓷和铝 焊接在一起。固相连接法与钎焊法基本相同，不同之处在于加热温度较低，焊接过程中没 有液体产生；需要施加足够大的压力，以使铝和陶瓷连接面相接触。采用这些方法虽然能 够将铝和陶瓷连接，但是由于铝的化学性质非常活泼，其与氧的平衡分压在1000°C以下的 温度范围内小于10-42 ，铝的表面总是存在着氧化膜，铝和陶瓷不润湿，连接界面存在着大 量的未连接缺陷，连接体的力学性能差，影响其实际应用。为了消除氧化膜的影响，人们先后专利技术了摩擦压接法、超声波振动压接法、超高真 空清洁压接法以及铸接法。其中摩擦压接法是将陶瓷和铝加压接触后使它们相互摩擦以 除去铝表面的氧化膜，然后利用摩擦产生的热使得陶瓷和铝压接在一起；超声波振动法的 基本原理与摩擦压接法相同，不同之处在于摩擦是由超声波振动产生的；超高真空清洁压 接法是先在真空中用离子轰击的方法除去铝表面的氧化膜，然后在KT6Pa以上的超高真空 中，把铝和陶瓷压接在一起；铸接法是通过将陶瓷插入铝液中运动以除去铝表面的氧化膜， 然后使部分铝液铸接在陶瓷上，实现陶瓷和金属的连接。虽然这些方法或多或少地可以除 去铝表面的氧化膜，改善陶瓷和铝的连接界面的性能，但是它们也存在许多缺点和不足。例 如摩擦压接法、超声波压接法以及高真空清洁压接法需要施加很大的压力，因此对金属或 者陶瓷的形状有限制，并且连接后的尺寸精度也很难保证；而铸接法本质是铸造方法，一方 面金属内部容易出现铸造缺陷，另一方面其形状及表面精度也受到制约。
技术实现思路
为了解决铝表面原生氧化膜妨碍铝和陶瓷的连接，造成连接体性能差的问题，发 明人长期以来开展了大量的研究。研究发现通过将陶瓷浸入铝合金熔液中移动以除去铝表 面的原生氧化膜，然后将其移出，可以使陶瓷表面粘附上一层铝合金液膜，用此液膜作为钎 焊料，可以将陶瓷与铝或铝合金部品或材料牢固地连接在一起，从而完成了本专利技术。本专利技术的目的是提供一种连接陶瓷和铝或铝合金的方法。本专利技术所提供的连接陶瓷和铝或铝合金的方法，包括如下步骤1)使陶瓷的连接 面上形成铝合金1液膜，得到连接面覆有所述铝合金1液膜的陶瓷；幻在所述连接面覆有 所述铝合金1液膜的陶瓷的铝合金1液膜上放置纯铝或铝合金2，以所述铝合金1液膜为焊 料，使所述连接面覆有所述铝合金1液膜的陶瓷与所述纯铝或铝合金2钎焊在一起；所述钎 焊的温度高于所述铝合金1的熔化温度且低于所述纯铝的熔点，或所述钎焊的温度高于所 述铝合金1的熔化温度且低于所述铝合金2的熔化温度。上述方法中，为了防止铝或铝合金部件或材料熔化变形，控制钎焊温度高于铝合 金1的熔化温度、且低于铝或铝合金2部件或材料的熔点或熔化温度(即所述钎焊温度高 于铝合金1的熔化温度且低于所述纯铝的熔点，或所述钎焊温度高于铝合金1的熔化温度 且低于所述铝合金2的熔化温度)。所述方法中，所述步骤1)中使陶瓷的连接面上形成铝合金1液膜的方法包括如下 操作步骤将所述陶瓷的连接面浸入所述铝合金1熔液中，并使其相对熔液运动和/或使其 在熔液中静置，以使熔液润湿陶瓷的连接面，再将陶瓷的连接面移出熔液，使陶瓷的连接面 上粘附铝合金1液膜。所述铝合金1可为铝硅二元合金、铝-硅-镁三元合金。所述铝或铝合金2可为任何商用纯铝或铝合金。所述陶瓷可为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷。所述使陶瓷连接面上形成铝合金1的液膜的操作及所述将所述钎焊的操作可在 真空、惰性气体氛围或或还原性气体氛围中进行。图1所示为采用本专利技术方法制备的氧化铝陶瓷和铝的连接样品的界面处的高分 辨率透射电子显微镜图像以及各个微区的电子衍射图像。氧化铝陶瓷晶粒(图中最右 侧)和铝(图中最左侧)发生界面反应，在它们之间长出了新的氧化铝层。从它们的晶 格图像和衍射图像可知，新氧化铝的(104)晶面与原有氧化铝陶瓷晶粒的(104)面共格， (110)面与铝的(111)面半共格。铝直接生长在氧化铝晶粒之上，铝和陶瓷在原子尺度上 生长在一起。理论计算表明氧化铝和铝的共格界面具有较低的界面自由能和很大的结 合力。该界面没有普 通钎焊界面普遍存在的、源自铝表面原生氧化膜的非晶态氧化物夹杂(有关普通钎焊法 界面存在的、源自铝材表面氧化膜的氧化物夹杂，导致界面产生未连接缺陷的报道可以参 看下列文献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 页；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页)。显然，与普通钎焊法相比，本专利技术的方法可以有效地除去铝(铝合金) 表面的原生氧化膜，使铝或铝合金和陶瓷充分润湿，避免界面出现未连接缺陷。与现有技术相比，本专利技术采用了独自的表面金属化连接方法，即首先在陶瓷的连 接面上形成铝合金1的液膜，然后用所述液膜作为焊料，进行铝或铝合金2部件或材料与陶 瓷的连接。本专利技术方法具有下列突出优点可以有效防止液膜和陶瓷的界面夹杂原生氧化 膜，使铝合金与陶瓷充分润湿，防止界面产生未连接缺陷；陶瓷连接面上形成的铝合金液膜 内部没有氧化物夹杂，可以直接用于陶瓷和铝或铝合金工件的钎焊连接；对所连接的陶瓷 以及铝或铝合金部件或材料的形状没有严格的限制，具有普适性；连接过程中无需施加会 导致铝或铝合金部件或材料变形的过大压力，可以保证连接件的精度；直接用陶瓷表面粘 附的液膜作为焊料，在其上放置被连接件即可连接，便于连续化生产。因此，本专利技术在陶瓷 和铝或铝合金工件的连接领域有广阔的应用前景。附图说明图1为采用将陶瓷浸入铝熔液中移动的方法制备的，氧化铝陶瓷和铝的连接体界 面区域的高分辨率透射电子显微镜图像以及各个微区的电子衍射图像。图2为本专利技术采用的陶瓷表面金属化连接装置的结构示意图。具体实施例方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。下述实施例所用工业纯铝、5A02铝合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连接陶瓷和铝或铝合金的方法，包括如下步骤：１）使陶瓷的连接面上形成铝合金１液膜，得到连接面覆有所述铝合金１液膜的陶瓷；２）在所述连接面覆有所述铝合金１液膜的陶瓷的铝合金１液膜上放置纯铝或铝合金２，以所述铝合金１液膜为焊料，使所述连接面覆有所述铝合金１液膜的陶瓷与所述纯铝或铝合金２钎焊在一起；所述钎焊的温度高于所述铝合金１的熔化温度且低于所述纯铝的熔点，或所述钎焊的温度高于所述铝合金１的熔化温度且低于所述铝合金２的熔化温度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宁晓山，李国才，王波，李莎，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]