一种交流电场辅助陶瓷与金属非真空扩散连接的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及陶瓷与金属扩散连接的方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的不断发展，经常要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优越性 能，才能在比较苛刻的工作环境中使用。工程结构陶瓷具有抗氧化性强、高温强度大、热稳 定性好、热膨胀系数小以及耐腐蚀等许多优良性能，在冶金机械、宇航、能源、微电子等领域 具有广阔的应用前景。
[0003] 但是陶瓷材料自身固有的本征脆性和不易加工性的缺点，在很大程度上限制了陶 瓷材料更广泛的应用。采用连接技术制造陶瓷/金属复合构件，不仅能很好地解决陶瓷材 料存在的问题，还能充分发挥陶瓷、金属材料各自优良性能，对于降低生产成本、拓宽陶瓷 材料的应用范围具有特别重要的意义。因此，实现陶瓷与金属之间的可靠连接是扩大其工 程应用的关键技术之一。
[0004] 通常陶瓷与金属之间的物化性能存在着显著差异，给实现陶瓷/金属的可靠连接 造成了巨大的困难。而目前普遍认为扩散连接是最适宜的连接方法之一，它具有接头质量 稳定、连接强度高以及耐蚀性能好等优点，特别适用于耐蚀和高温条件下金属与陶瓷的连 接。
[0005] 但固相扩散连接的条件又较为苛刻，多数需要高温高压、高真空或保护气氛；连接 时间一般较长，严重影响生产效率。
[0006] 针对传统扩散连接的缺点，有人发现具有电解质性质的无机材料与金属间在静电 场中具有热扩散接合的物理现象，并称之为场致扩散连接，其实质是在静电场的作用下使 陶瓷金属界面极化，通过离子迀移及界面的元素扩散而形成金属与陶瓷直接结合。它具有 连接温度低、速度快、压力低、工艺简单、可在空气中连接等优点，特别适用于微电子机械加 工等精密度要求较高的连接。
[0007] 但现有陶瓷与金属之间的场致扩散连接存在扩散连接温度高（1100°c~ 1600°C )，残余应力大，连接时间长（有些连接工艺连接时间长达10余小时）的问题。
【发明内容】
[0008] 本发明要解决现有陶瓷与金属之间的场致扩散连接存在扩散连接温度高，残余应 力大，连接时间长的问题，而提供一种交流电场辅助陶瓷与金属非真空扩散连接的方法。
[0009] 一种交流电场辅助陶瓷与金属非真空扩散连接的方法，具体是按照以下步骤进行 的：
[0010] 一、将陶瓷、中间材料与金属材料分别进行表面打磨抛光并置于丙酮中超声清洗， 得到表面预处理后的陶瓷、表面预处理后的中间材料及表面预处理后的金属材料；
[0011] 所述的中间材料为金属箔；所述的中间材料的厚度为?ο μπι~150 μL? ;
[0012] 二、将表面预处理后的陶瓷、表面预处理后的中间材料及表面预处理后的金属材 料依次叠加，得到叠加材料，然后将叠加材料置于扩散连接炉中，在叠加材料两端外加交流 电压及静电压，所述的表面预处理后的金属材料与正极相连接，所述的表面预处理后的陶 瓷与负极相连接，首先在氩气气氛及压力为2. 5MPa~IOMPa下，将扩散连接炉升温至温度 为700°C~1100°C，然后在氩气气氛、交流电压、静电压、压力为2. 5MPa~IOMPa及温度为 700°C~1100°C的条件下，保温0.5h~4h，最后冷却至室温，即完成交流电场辅助陶瓷与金 属非真空扩散连接的方法；
[0013] 所述的交流电压的有效值为50V~800V，所述的交流电压的频率为20Hz~ 10000Hz，所述的阴极与阳极的距离小于等于5cm，所述的静电压为OV~1200V。
[0014] 本发明的有益效果是：1、在IKKTC以下进行扩散连接，比传统的扩散连接温度 低，接头残余应力降低，提高了陶瓷/金属扩散连接接头质量，SiC/Ti剪切强度可达到 35MPa ~80MPa，Al2O3Ai 剪切强度可达到 70MPa ~HOMPa ;
[0015] 2、本发明的连接时间在4h之内，比传统的扩散连接时间短，生产工艺简单易行， 使得制备陶瓷/金属复合构件的周期缩短，更加经济；
[0016] 3、本发明可以通过调节交流电场强度，可控制接头界面反应层厚度；
[0017] 4、本发明操作简单，成本低，适用性强，主要适用于陶瓷与金属之间的扩散连接， 并为拓宽扩散连接技术的应用领域开辟了新途径，具有广阔的应用前景和较大的实用价 值。
[0018] 本发明用于一种交流电场辅助陶瓷与金属非真空扩散连接的方法。
【附图说明】
[0019] 图1为实施例一制备的Al2OZTi结构构件的扩散连接接头界面扫描图像；1为 Al2O3, 2 为 Ti ;
[0020] 图2为实施例三制备的Al2OZTi结构构件的扩散连接接头界面扫描图像；1为 Al2O3, 2 为 Ti ;
[0021] 图3为实施例十二制备的Al203/Ti结构构件的扩散连接接头界面扫描图像；1为 Al2O3, 2 为 Ti ;
[0022] 图4为实施例十三制备的Al203/Ti结构构件的扩散连接接头界面扫描图像；1为 Al2O3, 2 为 Ti ;
[0023] 图5为实施例六制备的SiC/Ti结构构件的扩散连接接头界面扫描图像；1为SiC， 2 为 Ti ;
[0024] 图6为实施例八制备的SiC/Ti结构构件的扩散连接接头界面扫描图像；1为SiC， 2 为 Ti ;
[0025] 图7为实施例七制备的SiC/Ti结构构件的扩散连接接头界面扫描图像；1为SiC， 2 为 Ti ;
[0026] 图8为实施例^^一制备的SiC/Ti结构构件的扩散连接接头界面扫描图像；1为 SiC，2 为 Ti。
【具体实施方式】
[0027] 本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之 间的任意组合。
【具体实施方式】 [0028] 一：本实施方式所述的一种交流电场辅助陶瓷与金属非真空扩散连 接的方法，具体是按照以下步骤进行的：
[0029] -、将陶瓷、中间材料与金属材料分别进行表面打磨抛光并置于丙酮中超声清洗， 得到表面预处理后的陶瓷、表面预处理后的中间材料及表面预处理后的金属材料；
[0030] 所述的中间材料为金属箔；所述的中间材料的厚度为10 μπι~150 μπι ;
[0031] 二、将表面预处理后的陶瓷、表面预处理后的中间材料及表面预处理后的金属材 料依次叠加，得到叠加材料，然后将叠加材料置于扩散连接炉中，在叠加材料两端外加交流 电压及静电压，所述的表面预处理后的金属材料与正极相连接，所述的表面预处理后的陶 瓷与负极相连接，首先在氩气气氛及压力为2. 5MPa~IOMPa下，将扩散连接炉升温至温度 为700°C~1100°C，然后在氩气气氛、交流电压、静电压、压力为2. 5MPa~IOMPa及温度为 700°C~1100°C的条件下，保温0.5h~4h，最后冷却至室温，即完成交流电场辅助陶瓷与金 属非真空扩散连接的方法；
[0032] 所述的交流电压的有效值为50V~800V，所述的交流电压的频率为20Hz~ 10000Hz，所述的阴极与阳极的距离小于等于5cm，所述的静电压为OV~1200V。
[0033] 本实施方式的有益效果是：1、在IKKTC以下进行扩散连接，比传统的扩散连接温 度低，接头残余应力降低，提高了陶瓷/金属扩散连接接头质量，SiC/Ti剪切强度可达到 35MPa ~80MPa，Al2O3Ai 剪切强度可达到 70MPa ~HOMPa ;
[0034] 2、本发明的连接时间在4h之内，比传统的扩散连接时间短，生产工艺简单易行， 使得制备陶瓷/金属复合构件的周期缩短，更加经济；
[0035] 3、本发明可以通过调节交流电场强度，可控制接头界面反应层厚度；
[0036] 4、本发明操作简单，成本低，适用性强，主要适用于陶瓷与金属之间的扩散连接， 并为拓宽扩散连接技术的应用领域开辟了新途径，具有广阔的应用前景和较大的实用价 值。
[0037] 原理：在交流电场的作用下，陶瓷金属界面发生极化，促进了离子迀移及界面的元 素扩散，可在获得相同接头强度的同时有效降低连接温度与连接时间，进而降低了接头的