专利名称：陶瓷和铝或铝合金的连接方法
技术领域：
本发明涉及一种连接陶瓷和铝或铝合金的方法。
背景技术：
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。然而，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。另一方面，铝也是一种重要的工程材料和导 电材料，是一种目前仅次于钢铁，应用最为广泛的金属材料。因此，铝和陶瓷的连 接具有重大的使用价值。
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、或氢气等还原性气体气氛中，或者在10—3Pa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。固相连接法与钎悍法基本相同，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100(TC以下的温度范围内小于10, Pa，铝的 表面总是存在着氧化膜，铝和陶瓷的润湿性较差，连接界面存在着大量的未连接缺 陷，连接体的力学性能变动大[X. S. Ning， T. Okamoto， Y. Miyamoto, A. Koreeda， K. Suganuma， and S. Goda， Bond strength and interfacial structure of silicon nitride joints brazed with aluminium-silicon and aluminium-magnesium alloys: Journal of Materials Science, 26巻(1991年)2050-2054页；E. Saiz; A. P. Tomsia; K. Sugamuma， Wetting and strength issues at Al/a —alumina interfaces, Journal of European Ceramic Society, 23巻(2003年)2787-2796 页]，影响其实际应用。
为了消除氧化膜的影响，人们先后发明了摩擦压接法、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10—6Pa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，然后使部分铝液铸造连接在陶瓷上，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。
发明内容
为了解决铝表面原生氧化膜妨碍铝和陶瓷连接，造成连接体性能差的问题，发 明人进行了大量的研究。最终发现采用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，冷却，使陶瓷表面粘附的铝合金液膜凝固，在陶瓷 表面形成粘结牢固的铝合金膜；然后再用该铝合金膜作为焊料进行钎焊，可以将陶 瓷与铝或者铝合金牢固地连接在一起，从而完成了本发明。艮P:
本发明的目的是提供一种连接陶瓷和铝或铝合金的方法。
本发明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 连接面形成厚度为数微米 数十微米的致密的铝合金1的薄膜；2)以所述薄膜为焊 料，在真空、惰性气体或还原性气体气氛中，将所述陶瓷与铝或铝合金2钎焊在一 起。为了防止铝或铝合金2熔化变形，控制钎焊温度高于铝合金1的熔化温度，且 低于铝或者铝合金2的熔点或熔化温度。
所述方法中，在陶瓷的连接面形成铝合金1的薄膜的方法包括如下操作步骤 将陶瓷的连接面浸入铝合金1的熔液中，并使其相对熔液运动以使铝合金1熔液润 湿陶瓷的连接面，然后将陶瓷移出熔液，冷却，使陶瓷的连接面粘附的液膜自然冷 却凝固，形成铝合金l的薄膜。
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。
所述使陶瓷连接面形成铝合金1的薄膜的操作最好在真空或惰性气体气氛中进行。
与现有技术相比，本发明采用了独自的两步连接方法，即首先在陶瓷连接面形 成与陶瓷连接紧密的铝合金1的薄膜，然后再和铝或者铝合金2连接。陶瓷连接面 形成的铝合金薄膜是由均匀粘附在陶瓷连接面的铝合金液膜凝固而成的，内部没有 氧化物夹杂，组织致密，具有良好的物理及力学性能。并且，如图1所示，本发明 所采用的将陶瓷浸入熔液中移动的方法，可以有效除去铝表面的原生氧化膜，陶瓷 与铝之间的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氧化物夹杂可以参看下列文献X. S. Ning， K. Suganuma， M. Morita and T. Okamoto, Interfacial reaction between silicon nitride and aluminium, Philosophical Magazine letter, 55巻， (1987年)， 93-96页；E. Saiz; A. P. Tomsia; K. Sugamuma， Wetting and strength issues at Al/a -alumina interfaces, Journal of European Ceramic Society, 23巻(2003 年)2787-2796页]。铝直接和陶瓷反应形成共格界面层(界面生成的氧化铝层的
(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)，从而大大降低界面自由能，形成稳定的、棋盘分割剥离强度大于4. lN/cm 高强度连接界面。这种稳定的界面在与铝或铝合金的钎焊过程中不发生劣化，而且 薄膜厚度为数微米 数十微米，与钎焊所需焊料厚度恰好一致，可以直接用于陶瓷 和铝或者铝合金工件的钎焊连接。90°撕裂强度试验证明，铝或铝合金和陶瓷的界 面连接强度可超过6. 3kg/cm，非常牢固。另外，由于钎焊过程中不需要施加过大的 压力，本发明还可以用于各种复杂形状产品的连接，可以保证加工精度。本发明的 工艺设备简单、易于组织工业化生产。这些是现有的技术不可替代的。因此，本发 明方法在陶瓷和铝或铝合金工件的连接领域有广阔的应用前景。
图1为氧化铝陶瓷与铝的连接界面区域的高分辨率透射电子显微镜图像微区 电子衍射斑点。
图2为陶瓷表面金属化装置的结构示意图。
具体实施例方式
下述实施例所用工业纯铝、5A02铝合金、2A02铝合金、Al-20%Si铝硅合金、 工业纯镁以及所有陶瓷板均从商业途径得到。陶瓷的连接面形成铝合金膜所使用的 铝合金釆用Al-20%Si合金、工业纯镁、纯铝熔化配制而成。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。 本发明部分实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均从商业途径得到。 下述实施例中所使用的陶瓷表面金属化装置结构如图2所示
该装置由炉体l、炉盖2、石墨坩埚3、金属电阻丝加热体4、石墨导轨5、氮
气导入口 6组成；石墨坩埚设于炉体内，加热体设于石墨坩埚四周；石墨坩埚底部、 炉体底部、及炉盖上均设有与导轨相匹配的开口，三个开口同轴；导轨通过开口穿 设于石墨坩埚、炉体和炉盖之间，并分别与它们固定连接；导轨为两平行板，其内 部设有供陶瓷板通过的凹槽，并且在其位于坩埚内部的位置设有窗口 8，以使坩埚 中的铝合金溶液9和导轨中的陶瓷板7接触；为了防止石墨氧化燃烧，炉体和炉盖 连接处用硅胶密封；氮气导入口位于炉底部。
窗口下方的导轨内面与陶瓷板之间的间隙为0. lmm，该间隙可保证陶瓷在导轨 中自由移动，而铝合金熔液不会流出。窗口上方的导轨与陶瓷板之间的间隙为1.3 rara，这样可以保证陶瓷板表面粘附的铝合金熔液不与导轨面接触。
实施例l-7使用上述装置。
实施例l、采用上述陶瓷表面金属化装置，将A1-lwt。/。Si合金放入石墨坩埚， 将氧化铝陶瓷板(长137 mm，宽35 mm，厚0. 64 ram，清华粤科生产，氧化铝纯度 大于95%)插入通过坩埚的石墨导轨中，然后在氮气气氛中(氮气流速为20升/min) 加热，使铝合金熔化并升温到73(TC。将另一块氧化铝陶瓷板从装置下部的导轨入 口以68. 5 ram/min的速度插入导轨，推动先期插入导轨中的陶瓷板以同样的速度垂 直向上运动。在移动过程中，陶瓷板通过导轨上的窗口与坩埚中的铝合金熔液接触， 然后与表面粘附的铝合金熔液一起从导轨上部推出，陶瓷板表面粘附的铝合金熔液 膜自然冷却，在陶瓷板的两面各形成厚度约为17微米的致密的铝合金膜。金相分 析表明，铝合金膜内部没有氧化物夹杂和气孔等缺陷，因此具有铸造铝合金所具有 的良好的物理及力学性能。
用刀片将铝合金膜切割成lmmXlimn的棋盘状方块。用强力胶带(美国3M公司 生产，粘结力大于4. 1 N/cm)压接在该棋盘状铝合金膜之上，然后快速撕落，测定 铝合金膜的粘结强度。
实验设3次重复，结果表明，铝合金膜的脱落率为0，铝合金膜牢固地粘附在 氧化铝陶瓷板之上。
截取面积为45mmX26mm粘附有铝合金的氧化铝陶瓷板，放入两块面积为50腿X40mm (多余的面积用作撕裂强度试验的夹持部)，厚度为1 mm的铝板之间，然 后将它们放在氧化铝陶瓷隔板之间，再在其上放置重量300克的荷重，在3X10—3Pa 的真空中加热到64(TC (铝的熔点之下，A1-lwt。/。Si合金的熔化温度之上)，保温 30分后自然冷却，将铝和陶瓷钎焊在一起。
用金刚石切割片将连接后的样品切断，制备金相试样观察表明，铝板紧密地连 接在陶瓷板之上，界面未发现未连接之处。从样品上切出5ram宽的样品进行90。撕 裂强度试验，撕裂强度为3. lkg/cm，且断裂发生在铝板的夹持部，表明界面连接强 度大于该数值。说明采用该方法可以将陶瓷和铝牢固地连接在一起。
实验设三次重复，撕裂试验断裂均发生在铝的夹持部，铝和陶瓷的界面连接强 度分别大于3. lkg/cm、 3. 3kg/cm、 3. 4kg/cm。
实施例2、除了将合金改为Al-4wt%Si、氮气流量降低到15升/分之外，其余 与实施例1相同。用此方法在陶瓷连接面形成厚度为7微米、脱落率为0的铝合金 薄膜。与铝连接后界面无缺陷，撕裂强度测试过程中断裂发生铝的夹持部。实验设 三次重复，铝和陶瓷连接界面的强度均大于5. lkg/cm。
实施例3、除了将合金改为Al-8wt%Si，氮气流量降为10升/分之外，其余与 实施例1相同。用此方法在陶瓷连接面形成厚度为7微米、脱落率为0的铝合金薄 膜。与铝连接后连接界面无缺陷，撕裂强度测试断裂发生在铝的夹持部。实验设三 次重复，界面连接强度大于5. 3kg/cm。
实施例4、除了将合金改为Al-8wt%Si-lwt。歳g之外，其余与实施例3相同。用 此方法在陶瓷连接面形成厚度为7微米的铝合金薄膜。与铝连接后界面无缺陷，在 撕裂强度测试过程中断裂发生铝的夹持部。实验设三次重复，界面连接强度大于 6. 3kg/cm。
实施例5、除了将合金改为Al-12wt%Si、氮气流量改为20升/分之外，其余与 实施例1相同。用此方法在陶瓷连接面形成厚度为5微米、脱落率为0的铝合金薄 膜。与铝连接后界面无缺陷，撕裂强度测试断裂发生铝的夹持部。实验设三次重复， 界面连接强度大于5. 5kg/cm。
实施例6、除了将钎焊温度改为61(TC之外，其余与实施例4相同。与铝的连 接实验设三次重复，连接后界面无缺陷，在撕裂强度测试过程中断裂发生铝的夹持 部，界面连接强度大于6. lkg/cm。
实施例7、除了将合金改为Al-12wt%Si-lwt%Mg，氮气流量改为15升/分之外，其余与实施例6相同。用此方法在陶瓷连接面形成厚度为5微米的铝合金薄膜。与
铝连接后界面无缺陷，在撕裂强度测试过程中断裂发生铝的夹持部。实验设三次重 复，界面连接强度大于6. 4kg/cm。
实施例8、将盛有Al-12wt。/。Si合金的氧化铝坩埚放入真空炉中，抽真空至5X 10—3Pa后，通电加热至750。C。然后将氧化铝陶瓷板从上方垂直插入铝合金熔液， 并在熔液中保持10分钟后，以10mm/min的速度提起，关闭加热电源自然冷却。采 用此方法在氧化铝陶瓷板浸入铝合金熔液的部分表面粘结上一层厚度为10微米的 铝合金膜，铝合金膜脱落率为O。
钎焊连接方法中除了钎焊温度为61(TC之外，其余与实施例l相同。实验设三 次重复，界面未发现缺陷，在撕裂试验过程中断裂发生在铝板夹持部，界面连接强 度大于6kg/cm。
实施例9、除了将氧化铝陶瓷板换为氮化铝陶瓷板(福建华清生产，氮化铝含 量大于95%)之外，其余与实施例8相同。
实验设三次重复，结果表明铝合金膜脱落率为0，界面未发现缺陷。在撕裂试验 过程中断裂发生在铝板夹持部界面连接强度大于6. lkg/cm。
实施例10、除了将氧化铝陶瓷板换为氮化硅陶瓷板(常压烧结，氮化硅含量大 于92%)之外，其余与实施例8相同。
实验设三次重复，结果表明铝合金膜脱落率为0，界面未发现缺陷。撕裂试验断 裂发生在铝板夹持部，界面连接强度大于6. 3kg/cra。
实施例11、除了将氧化铝陶瓷板换为碳化硅陶瓷板(反应烧结，碳化硅含量大 于90%)之外，其余与实施例8相同。
实验设三次重复，结果表明铝合金膜脱落率为O，界面未发现缺陷，在撕裂试验 过程中断裂发生在铝板夹持部，界面连接强度大于6. Okg/cm。
实施例12、除了将铝板换成厚度0. 5mm的5A02铝镁合金板，钎焊温度降为600 'C之外，其余与实施例8相同。
实验设三次重复，连接界面未发现缺陷，撕裂试验断裂发生在铝合金板夹持部， 界面连接强度大于5. 5kg/cm。
实施例13、除了将铝板换成2A02铝铜镁合金板之外，其余与实施例12相同。
实验设三次重复，连接界面未发现缺陷，撕裂试验断裂发生在合金板夹持部， 界面连接强度大于5. 3kg/cm。
权利要求
1、一种连接陶瓷和铝或铝合金的方法，包括如下步骤1)使陶瓷的连接面形成厚度为数微米～数十微米的致密的铝合金1的薄膜；2)以所述薄膜为钎焊料，在真空、惰性气体或还原性气体气氛中，加热到高于铝合金1的熔化温度且低于铝或者铝合金2的熔点或者熔化温度，使陶瓷与铝或铝合金2钎焊连接在一起。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤l)中使陶瓷的连接面 形成厚度为数微米 数十微米的致密的铝合金1的薄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以使熔液润湿 陶瓷的连接面，再将陶瓷的连接面移出熔液，冷却，使陶瓷的连接面粘附的铝合金 l液膜自然凝固，形成铝合金l的薄膜。
3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述操作在真空氛围、惰性气 体氛围或还原性气体氛围中进行。
4、 根据权利要求l 、 2或3所述的方法，其特征在于所述铝合金l为铝硅二元合金。
5、 根据权利要求1 、 2或3所述的方法，其特征在于所述铝合金1为铝-硅-镁三元合金。
6、 根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于所述陶瓷为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷。
全文摘要
本发明公开了一种连接陶瓷和铝或铝合金的方法。该方法，包括如下步骤1)使陶瓷连接面形成厚度为数微米～数十微米的致密的铝合金1的薄膜；2)以所述薄膜为焊料，在真空、惰性气体或还原性气体气氛中，加热到高于铝合金1的熔化温度且低于铝或者铝合金2的熔点或熔化温度，使陶瓷与铝或铝合金2钎焊在一起。本发明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，薄膜与陶瓷的棋盘分割剥离强度大于等于4.1N/cm。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6.3kg/cm，非常牢固，且界面无缺陷，适于工业生产的需要。因此，本发明方法在陶瓷和铝或铝合金的连接领域有广泛的用途。
文档编号C04B37/02GK101538166SQ200910083279
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者宁晓山 申请人:清华大学