一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法。

背景技术：

氧化铝陶瓷具有硬度高、机械强度高、化学性能稳定、电绝缘性能优异等特点，是工业领域中应用最为广泛的高温结构陶瓷之一。但是，氧化铝的固有脆性使其难以通过机械加工获得复杂形状的结构组件，这在一定程度上限制了其工程应用。注浆成型等湿法成型是制备大尺寸或复杂外形陶瓷体的常用方法，但此类方法生产效率较低、烧成收缩大且试件易变性。而通过合适有效的陶瓷连接技术，可以实现低成本制备复杂形状的陶瓷构件，同时可用于破损陶瓷的修复。因此，研究开发氧化铝陶瓷的连接剂和连接技术具有很高的工程应用价值。

目前已开发的氧化铝陶瓷连接方式与金属钎焊技术相似，一般选择熔融温度低、润湿氧化铝表面的连接剂，通过一定条件的热处理实现材料连接。

公开号为cn105418131a的中国专利文献公开了一种氧化铝陶瓷低温钎焊连接方法，连接剂为bi2o3、b2o3、zno和sio2组成的低熔点铋酸盐玻璃粉，在480～650℃热处理实现材料的连接。公开号为cn106116627a的中国专利文献公开了另一种氧化铝陶瓷低温钎焊连接方法，连接剂是由p2o5、sno、mgo和cao组成的无铅磷酸盐玻璃粉，通过280～450℃热处理即可实现氧化铝陶瓷的低温连接。

已发表论文“王卓等，氧化铝陶瓷的低温连接，陶瓷学报，38(2017)495-497”中报道了以al2o3或zro2为基础连接材料，添加低熔点b2o3作为第二相，实现800℃下氧化铝陶瓷的连接。

公开号为cn112109393a的中国专利文献公开了一种氧化铝陶瓷的扩散连接技术，利用镍钛合金作片为连接层，在1250～1500℃下热处理，通过镍钛合金和氧化铝的反应扩散实现材料的连接。

虽然以上方案均可实现氧化铝陶瓷的连接，但连接材料的熔点或者产生液相的温度较低，这极大地限制了连接试件的耐高温性。同时以合金作为连接材料时，还存在降低材料高温抗氧化性和耐腐蚀性能的缺点。因此，需要开发新型氧化铝陶瓷连接剂，能够在不降低基体材料耐高温和耐腐蚀性能的基础上实现材料的良好连接。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，所得连接层致密度高且与基体良好连接，界面结合强度较高，且耐高温、耐腐蚀。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂，原料以质量分数计包括0～10％的ta2o5、0～10％的tio2和90％～98％的al2o3粉体，其中ta2o5和tio2的组分不同时为零，且各组分的质量分数之和为100％。

本发明还具有以下技术特征：

优选的，所述的ta2o5、tio2和al2o3粉体的平均粒径均为0.1μm～1μm。

进一步的，所述的ta2o5、tio2和al2o3粉体的化学纯度均大于99.0％。

本发明还保护一种采用如上所述的用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂连接氧化铝陶瓷的方法，包括以下步骤：

步骤1：以质量分数计称取0～10％的ta2o5、0～10％的tio2和90％～98％的al2o3粉体，将ta2o5、tio2和al2o3粉体球磨混合、干燥得到混合粉体，随后与混合粉体质量1％的pva均匀混合，并加入酒精超声分散得到悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以3℃/min～10℃/min的升温速率自室温升温至1400℃～1650℃，保温0.5h～3h进行固相烧结和扩散连接，然后以5℃/min～10℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷。

优选的，步骤1中所述的球磨混合方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球。

进一步的，所述的步骤1中球磨混合时间为8h～24h。

优选的，步骤1中所述的悬浮液浓度在0.2～0.8g/ml。

优选的，步骤2中所述的连接剂涂层厚度为0.5～2mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明使用的高温连接剂中氧化铝含量高达90％以上，与基体材质相同，因此连接层的热膨胀系数等物理化学性质与基体匹配度高，这可以保证制品使用性能的稳定性；

本发明利用ta2o5和tio2可与al2o3形成有限固溶体且晶格畸变较大的特点，通过高温固溶扩散，活化连接剂al2o3粉体和基体表面晶格，在实现连接层自身固相烧结致密化的同时，提高基体和连接层的界面结合强度，界面剪切强度为25～60mpa；同时，连接过程中，连接温度接近氧化铝陶瓷的极限使用温度，且无液相产生，保证了所得制品的高温稳定性；

利用本发明提供的氧化铝连接方法，制品在高温使用中不会产生液相或界面软化等现象，具有耐高温、耐腐蚀、界面结合强度高的特点。

附图说明

图1是本发明的实施例6所得氧化铝陶瓷连接界面sem图；

图2是本发明的实施例6所得氧化铝连接组件实物照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.1μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将97％的al2o3粉体、3％的tio2粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为8h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.4g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为1mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以8℃/min的升温速率自室温升温至1400℃，保温3h进行固相烧结和扩散连接，然后以5℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为25mpa。

实施例2

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.1μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将97％的al2o3粉体、3％的tio2粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为24h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.2g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为2mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以10℃/min的升温速率自室温升温至1500℃，保温3h进行固相烧结和扩散连接，然后以10℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为27mpa。

实施例3

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.1μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将97％的al2o3粉体、3％的tio2粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为16h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.8g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为1mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以3℃/min的升温速率自室温升温至1600℃，保温0.5h进行固相烧结和扩散连接，然后以5℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为28mpa。

实施例4

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.1μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将97％的al2o3粉体、3％的tio2粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为16h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.4g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为1mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以8℃/min的升温速率自室温升温至1600℃，保温2h进行固相烧结和扩散连接，然后以8℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为42mpa。

实施例5

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.1μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将97％的al2o3粉体、3％的tio2粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为16h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.4g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为0.5mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以8℃/min的升温速率自室温升温至1650℃，保温0.5h进行固相烧结和扩散连接，然后以8℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为35mpa。

实施例6

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.1μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将97％的al2o3粉体、3％的ta2o5粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为16h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.4g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为1mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以8℃/min的升温速率自室温升温至1600℃，保温2h进行固相烧结和扩散连接，然后以8℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为45mpa。

实施例7

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为1μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将97％的al2o3粉体、3％的ta2o5粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为16h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.4g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为1mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以8℃/min的升温速率自室温升温至1600℃，保温2h进行固相烧结和扩散连接，然后以8℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为35mpa。

实施例8

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.5μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将97％的al2o3粉体、3％的ta2o5粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为16h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.4g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为1mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以8℃/min的升温速率自室温升温至1600℃，保温2h进行固相烧结和扩散连接，然后以8℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为43mpa。

实施例9

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.5μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将90％的al2o3粉体、10％的ta2o5粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为16h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.4g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为1mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以8℃/min的升温速率自室温升温至1600℃，保温2h进行固相烧结和扩散连接，然后以8℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为47mpa。

实施例10

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.5μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将90％的al2o3粉体、10％的tio2粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为16h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.4g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为1mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以8℃/min的升温速率自室温升温至1600℃，保温2h进行固相烧结和扩散连接，然后以8℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为50mpa。

实施例11

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.5μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将90％的al2o3粉体、5％的tio2粉体5％的ta2o5粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为16h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.4g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为1mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以8℃/min的升温速率自室温升温至1600℃，保温2h进行固相烧结和扩散连接，然后以8℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为60mpa。

实施例12

本实施例提供一种用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂及其连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取平均粒径均为0.5μm，化学纯度均大于99.0％的al2o3粉体、tio2粉体和ta2o5粉体，按照质量分数将98％的al2o3粉体、1％的tio2粉体1％的ta2o5粉体球磨混合；球磨方式为湿法辊式球磨，乙醇为球磨介质，钇稳定氧化锆球为磨球，球磨混合时间为16h；将干燥后的混合粉体与质量1％的pva均匀混合，并加入适量酒精超声分散得到浓度为0.4g/ml的悬浮液；

步骤2：将步骤1中得到的悬浮液均匀涂覆在待连接氧化铝陶瓷块表面，在酒精未完全挥发前通过加压使氧化铝陶瓷表面与连接剂良好接触，连接剂涂层厚度为1mm；

步骤3：将步骤2中得到的试样装入氧化铝坩埚中置于马弗炉内，以8℃/min的升温速率自室温升温至1600℃，保温2h进行固相烧结和扩散连接，然后以8℃/min的降温速率降温至1000℃，随炉冷却即可得到连接良好的氧化铝陶瓷，界面剪切强度为35mpa。

实验分析得出，实施例1-3、5中由于烧结温度低或保温时间短无法得到较为致密的连接层陶瓷，界面结合强度相对较低；实施例12中由于tio2和ta2o5含量较低，固相烧结和界面扩散不够充分，连接层致密度较低且界面结合强度相对较低；其余实施例中连接层的致密度较高，界面结合强度较大。

图1为本发明的实施例6所得氧化铝陶瓷连接界面sem图，表明连接层自身致密度高，界面处孔洞较少；图2是本发明的实施例6所得氧化铝连接组件实物照片，表明该方法可以实现氧化铝异形件的制造。

综上所述，本发明通过组分设计优化得到可用于氧化铝陶瓷连接的高温连接剂，通过高温固相烧结和固溶扩散后，最终制品具有连接层致密度高且界面结合强度大的特点。该方法能够在不降低基体材料耐高温和耐腐蚀性能的基础上实现材料的良好连接，在氧化铝陶瓷连接领域具有潜在的应用价值。