陶瓷对陶瓷接合件及相关方法

专利名称：陶瓷对陶瓷接合件及相关方法
技术领域：
本发明一般涉及陶瓷材料。更具体地，本发明提供了一种陶瓷对陶瓷接合件及其制备方法，所述接合件包含多相陶瓷结合区域。
背景技术：
将一片陶瓷材料与另一片陶瓷材料或者一片金属接合的方法可用于许多技术领域。实际上，制造许多复杂多功能系统(例如，热交换器、燃气轮机、发动机以及高温和低温·都能使用的其他系统)要求陶瓷与其他陶瓷或者金属进行接合。在一些情况中，使用金属钎焊技术将一件陶瓷与另一件陶瓷连接，或者将一件陶瓷与金属连接。但是，一些金属钎焊在氧化环境，特别是高温下易受到氧化。因此，当用金属钎焊形成的接合件用于氧化环境和高温时，氧化作用倾向于使得接合变弱并缩短其运行寿命。虽然已经对一些钎焊技术进行了改进，从而提升了它们制得的钎焊和接合件在高温下氧化作用的抗性，但是所述改进未必是没有缺点的。例如，在许多情况下，一些钎焊技术所提升的抗氧化性会带来接合强度的降低，以及钎焊对陶瓷基材进行侵润能力的降低。因此，尽管存在用于将一件陶瓷与另一件陶瓷(或金属)进行连接的技术，该技术仍存在包括如上所述的挑战。针对这一点，本领域需要一种技术，该技术使得特定类型陶瓷间的结合之如金属钎焊般容易(金属钎焊形成了高温下具有优秀强度特性的接合件)，但是该接合件没有由于氧化作用及其相关弱化和特性损失导致的温度限制的相关缺陷。因此，用其他接合技术对某些传统钎焊技术进行增强或者甚至替换对于本领域是一种改进。发明概述本发明提供了一种陶瓷对陶瓷接合件及其制备方法。在一些实施方式中，接合件包含第一陶瓷部件，其中所述第一陶瓷部件是碳化陶瓷或者氮化陶瓷。此外，接合件包含第二陶瓷部件，其中所述第二陶瓷部件是碳化陶瓷或者氮化陶瓷。除此之外，接合件包含铝引发的接合区域，该接合区域连接了第一和第二陶瓷部件。在此方面，接合区域包含来自第一和第二陶瓷部件，并在所述接合区域中发生扩散的化学物质。进而，第一陶瓷部件包含设置在与接合区域相邻位置的第一接合扩散区，所述第一接合扩散区包含来自接合区域并在第一接合扩散区中发生扩散的铝物质，第二陶瓷部件包含设置在接合区域相邻位置的第二接合扩散区，所述第二接合扩散区包含来自接合区域并在第二接合扩散区中发生扩散的铝物质。在其他实施方式中，接合件包含第一和第二陶瓷部件，所述第一和第二陶瓷部件分别包含选自碳化陶瓷或者氮化陶瓷的材料。此外，在该实施方式中，接合件还包含连接了第一和第二陶瓷部件的铝引发的接合区域，该接合区域的特征在于化学物质在接合区域和邻接的第一和第二陶瓷部件之间发生扩散和逆扩散。虽然接合区域可以具有任意合适的强度，但是在一些情况下，所述接合区域的接合强度大于第一和第二陶瓷部件的本体强度的50%。在其他情况下，接合件的强度比第一和第二陶瓷部件的本体强度大约60%、约70%、约80%和约90%。但是在其他情况下，接合件的强度大于或等于第一和第二陶瓷部件的本体强度。对于形成陶瓷对陶瓷接合件的方法，在一些实施方式中，该方法可以包括以下步骤得到第一陶瓷部件和第二陶瓷部件，将(包含铝的)接合引发剂置于在所述第一陶瓷部件和第二陶瓷部件之间并与它们相邻的接合区域中，将接合引发剂以及与所述接合引发剂相邻的第一和第二陶瓷部件加热到大于约700° C的温度一段时间，该时间足以引起接合引发剂与邻接的第一和第二陶瓷部件之间的化学物质发生扩散和逆扩散。在其他实施方式中，将接合引发剂以及相邻的陶瓷基材加热到以下温度约800° C、约900° C和约
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通过以下描述和所附权利要求书或者通过学习下文中所述的本发明的实践，可以更充分地理解本发明的这些特征和优点。


为了得到并易于理解实现本发明的上述及其他特征和优点的方式，下面结合附图所示的具体实施方式
更详细地描述了上文已作出简单描述的本发明。应当理解这些附图仅描述了本发明的代表性实施方式，并且不是按比例绘制，因此不应视为对其范围的限制，本发明将通过使用如下附图由补充特点和细节得以描述和解释图I显示了在形成多相陶瓷接合件之前，在第一和第二基材之间的接合引发剂的一些实施方式的示意图；图2显示了用于形成多相陶瓷接合件的方法的代表性实施方式的流程图；图3-5分别显示了铝引发的接合件的一些实施方式的扫描电镜的截面图；图6-9所示分别是能量色散X-射线光谱结果，显示了在接合区域的代表性实施方式中的化学物质的交叉扩散，其中所述X-射线光谱结果来自图4所示的铝引发的接合件中的不同位置；图10显示了用于形成多相陶瓷接合件的改进方法的代表性实施方式的流程图；图11显示了通过扫描电镜得到的铝引发接合件的一些实施方式的截面图，其中所述接合件用单步加热步骤制备；图12显示了通过扫描电镜得到的铝引发接合件的一些实施方式的截面图，其中所述接合件用多步加热步骤制备；图13-15所示分别是能量色散X-射线光谱结果，显示了在接合区域的代表性实施方式中的化学物质的交叉扩散，其中所述X-射线光谱结果来自图12所示的铝引发的接合件中的不同位置；以及图16所示是一些试验结果图，其指出了几种类型的陶瓷对陶瓷接合件的所得的失效位置。发明详述
说明书中提及的“一个实施方式”或“一种实施方式”或者类似语言表示结合实施方式描述的具体特征、结构或性质包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在本说明书中各种地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在一种实施方式中”可以，但未必都涉及同一个实施方式。此外，虽然以下描述涉及本发明的各种组件和方面的数种实施方式和实施例，但是所有的所述实施方式和实施例应理解为在所有方面仅起了说明作用，而不是以任意方式进行限制。此外，本发明所述的特征、结构、或性质可以任何合适的方式组合在一个或多个实施方式中。在如下描述中，提供了各种具体详述，例如合适的陶瓷、接合引发剂、加热方法、清洁方法等，以提供对本发明的实施方式的完全理解。但是相关领域的普通技术人员能认识到，本发明能在一个或多个具体细节缺失或经由其他方法、组件材料等实施。在其他情况下，没有显示众所周知的结构、材料或操作或者对其进行详述，以避免模糊本发明的各个方面。
用于在陶瓷之间形成接合件的许多传统的钎焊技术包含以下步骤用来自钎焊材料的化学物质对陶瓷基材进行侵润，陶瓷基材自身之间没有任意明显的本体相互作用和改变。也就是说，在许多传统钎焊技术中，尽管在形成接合件时钎焊材料自身的化学性质和相会发生改变，但是钎焊材料仍基本是独立的，并与陶瓷本体发生粘结。作为结果，由一些传统钎焊技术制得的接合件基本依赖于钎焊材料及其化学物质对于相应陶瓷基材的侵润(以及凝固)。相反地，本发明的一些实施方式提供了陶瓷对陶瓷接合件(及其制备方法)，其涉及多相陶瓷的原位形成。在此方面，可以通过化学物质从接合引发剂(例如，铝箔)扩散进入到两个或更多个相邻陶瓷基材中，并通过化学物质从陶瓷基材逆扩散进入到接合引发剂(或者进入初始所在的区域)中来形成所述的接合件。当发生该扩散和逆扩散时，在连接的陶瓷基材本体之间的接合区域中可以形成多种陶瓷。因此，所述陶瓷对陶瓷接合件在本文可以称作多相陶瓷接合件。例如，图I显示了一些实施方式，其中接合引发剂10 (即，铝层)位于第一陶瓷部件(或基材)15和第二陶瓷部件(或基材)20之间。虽然图I显示了接合件形成之前的接合引发剂10和基材(15和20)，该图显示了对各种组件进行(如下所述的)加热和加工时，来自引发剂10的化学物质可以(按照箭头25)扩散进入到基材中的接合扩散区(或者与引发剂相邻的区域)。此外，图I显示了对各种组件进行加热和加工时，来自陶瓷基材(15和20)的化学物质(按照箭头30)逆扩散进入到接合引发剂10中。由于该“交叉扩散”，接合引发剂的尺寸可以明显减少，并且当形成接合件时从金属明显地变为陶瓷。因此，尽管在形成接合件的初始阶段，用来自接合引发剂的化学物质对陶瓷基材进行侵润是重要的，但是该侵润可以由形成接合件的后续阶段中的固态扩散机制进行替代，从而产生了极其牢固的接合区域。此外，取决于加工条件，可以形成具有一定范围陶瓷特性的接合区域。因此，不同于用于形成陶瓷对陶瓷接合件的一些传统钎焊技术，所述传统钎焊技术在接合的陶瓷之间留有明确和清楚的金属相(即钎焊材料)，本文所述接合件的一些实施方式形成了将两个陶瓷基材本体连接在一起的多相陶瓷接合区域。可以以任意合适的方式形成所述的多相陶瓷接合区域(接合区域或接合件)。在此方面，图2显示了用于形成所述多相接合件的方法100的一些实施方式。更具体地，图2显示了用于形成所述接合件的方法100的一些实施方式，其中所述方法中用于对接合引发剂转化进行控制的加工参数可以包括压力、温度和时间。下面对该方法进行了更详细的描述。具体地，图2显示在一些实施方式中，方法100从步骤110开始，提供了连接在一起的一个或多个陶瓷基材。在此方面，所述方法可以用于产生将任意合适数量的基材连接在一起的单独接合区域。通过非限制性例子的方法，所述方法可用于将2、3、4、5或者更多陶瓷基材在单个接合连接在一起。但是出于简化的目的，本应用着重于将两个基材连接在一起。所述方法100可用于将任意合适类型的陶瓷基材连接在一起。合适基材的一些非限制性例子包括以下材料含一种或多种碳化陶瓷(例如，碳化硅、碳化铝等)、氮化陶瓷(例如，氮化硅等)、塞伦陶瓷及其组合的材料。实际上，在一些实施方式中，所述方法用于将一种碳化陶瓷(例如，碳化硅)基材与另一种碳化陶瓷(例如，碳化硅)基材连接在一起。在其他实施方式中，所述方法用于将一种氮化陶瓷(例如，氮化硅)基材与另一种氮化陶瓷(例如，氮化硅)基材连接在一起。在其他实施方式中，所述方法用于将一种碳化陶瓷(例如，碳化硅)基材与另一种氮化陶瓷(例如，氮化硅)基材连接在一起。 在步骤115，图2显示了可以在第一陶瓷基材15和第二陶瓷基材20之间施加接合引发剂10进行方法100。在此方面，接合引发剂可以包含任意合适的金属，该金属使得其化学物质扩散进入到相邻的陶瓷基材的接合扩散区中，同时来自陶瓷基材的化学物质逆扩散进入到接合引发剂(或者引发剂初始所在的位置)中。所述合适的接合引发剂的一个非限制性例子包括铝。出于简化，通过使用铝接合引发剂形成的多相接合在本文中称作铝引发接
入
口 O接合引发剂10包含铝，引发剂可以包含任意形式的铝。通过非限制性例子的方式，所述接合引发剂可以包含未掺杂的铝(例如，铝的纯样品或者基本纯样品)。实际上，在某些实施方式中，接合引发剂包含铝的基本纯样品。在其他实施方式中，接合引发剂可以包含掺杂的铝或者铝合金。接合引发剂10初始可以是使得在至少两个陶瓷基材(例如，第一基材15和第二基材20)之间形成所述接合件的任意合适的形式或状态。通过非限制性例子的方法，接合引发剂(例如，未掺杂的铝)初始可以是箔、粉末、墨、凝胶、悬浮固体、溶液或其任意合适的组合。但是在一些实施方式中，以箔来施加接合引发剂。可以以任意合适的方式将接合引发剂10 (例如，铝样品)施加到陶瓷基材(例如，第一基材15和第二基材20)之间的接合区域，使得它的一种或多种化学物质与来自基材的一种或多种化学物质发生交叉扩散从而形成所述接合件。在一个非限制性例子中，提供位于两个陶瓷基材之间的一种或多种独立的元素(例如，一种或多种箔片)作为接合引发剂。但是在另一个非限制性例子中，对要连接的一个或两个陶瓷基材都施加了接合引发剂。在此例子中，可以以任意合适的方式对一个或两个基材施加了引发剂，包括，但不限于，通过喷雾、沉积、溅射、气相沉积、浸涂、网印刷或者任意其他合适的方式施加到基材。此外，可以以涂层或层对一个或两个基材施加引发剂。在此方面，可以在基材之间施加任意合适数量的引发剂涂层或层，包括，但不限于，1、2、3、4、5层或更多。在对接合引发剂(例如铝箔)和陶瓷基材(例如，基材10和15)进行加热以实现引发剂和基材之间(如下所述)的交叉扩散之前，所述接合引发剂可以是任意合适的厚度，实现所述的交叉扩散从而形成所述接合件。具体地，(在某些实施方式中)如下情况是有益的接合引发剂的起始厚度足以使得其对相邻陶瓷基材(例如，基材15和20)进行侵润并扩散进入其中，而不足以阻碍适当的扩散或导致引发剂在接合件表面的过量集中。在此方面，发现如果引发剂太宽，则一部分的所述引发剂会在接合区域的外部发生集中。此外，发现(由于与接合加工参数，例如加热温度、加热施加、负荷等相关的扩散动力学所导致的)如果引发剂太厚，则陶瓷基材的化学物质因为扩散距离太长所以不能扩散进入到引发剂的一些部分中。因此，在完成方法100之后，在加工之前过厚的引发剂的一部分可能仍是完整的(SP，一部分铝接合引发剂仍是游离铝和/或氧化铝)。因此，在一些实施方式中，通过选择合适的接合引发剂厚度可以实现提升的接合强度和寿命以及更清洁的外部连接件。在一些实施方式中，接合引发剂10的初始厚度大于以下宽度约lum、约5um、约25um、约IOOum以及约200um。相反地,在一些实施方式中，接合引发剂的初始厚度小于以下宽度约30um、约125um、约250um以及约1270um。在其他实施方式中，接合引发剂初始可以具有上述宽度的任意合适的组合或范围，以实现预期功能(例如，宽度在约25um和约254um厚度之间，宽度是约127um±3um厚度或者宽度是约25um±5um厚度)。 回到图2，步骤120显示在一些实施方式中，用于制造所述接合件的方法100涉及当进行(如下所述的)初始加热步骤125时，施加负荷或力，使得两个基材(例如，基材15和20)与接合引发剂10保持接触。以这种方式，当引发剂熔化时，其可以与基材保持接触，并对所述基材进行侵润。此外，应理解较小的负荷会导致接合件较厚，从而该接合件可能需要较长的加工时间以实现所需的化学物质的交叉扩散以形成原位陶瓷接合件。可以对第一基材15和/或第二基材20施加任意合适的负荷，当进行加热步骤125时，将基材与接合引发剂10保持接触。实际上，在一个实施方式中，所述负荷可以是大于约OPa的任意负荷(包括一个基材顶部上的其他基材的重量)。在其他实施方式中，施加的负荷可以大于约34kPa、约70kPa、约165kPa以及约172kPa。在一些实施方式中，施加的负荷可以小于约6. 4MPa、约861kPa、约689kPa、约551kPa以及约524kPa。在其他实施方式中，施加的负荷可以包含上述负荷的任意合适的范围或组合物，(例如，在约172kPa和约861kPa之间，在约34kPa和约6. 9MPa之间，在约165kPa和约689kPa之间或者在约70kPa和约55IkPa之间)。在步骤125，图2显示当对接合引发剂10 (例如，铝箔)和陶瓷基材(例如，基材15和20)的相邻区域加热之后可以继续进行方法100。在此方面，可以在任意合适的时间进行加热，包括，但不限于，在施加负荷之后或同时。因此，如上所述，当接合引发剂开始熔化时，其可以对相邻陶瓷基材进行侵润同时与基材保持完全接触。为了形成所述接合件，可以将接合引发剂10以及陶瓷基材(例如，基材15和20)的相邻部分加热到任意合适的温度，使得来自引发剂的化学物质扩散进入到陶瓷基材的相邻区域或者扩散区，同时来自陶瓷基材的化学物质逆扩散进入到引发剂(或者引发剂初始所在的区域)。在一些实施方式中，将引发剂和相邻陶瓷基材加热到高于铝的熔点的温度(例如，约660° C)。以这种方式，使得接合引发剂熔化以提供短暂的液体相，该液体相可以对相邻的基材进行侵润然后使得化学物质从引发剂扩散进入到相邻的基材区域。在其他实施方式中，将接合弓I发剂10及其相邻基材(例如，基材15和20 )提升到以下温度约660° C、约700° C、约800° C、约900° C以及约1，000° C。在一些实施方式中，通过将引发剂和相邻的基材加热到低于以下温度完成该接合件的加工，所述温度选自约1，800° C、约1，600° C、约1，500° C、约1，200° C以及约1，050° C。在其他实施方式中，方法100可以涉及将引发剂和相邻基材加热到上述温度的任意合适的组合或范围，使得形成了所述的接合件(例如，在660° C和1，600° C之间，在800° C和1，000° C之间、在约900° C和约1，100° C之间或者在875° C和1，450° C之间的温度)。可以以形成所述接合件的任意合适的速率对接合引发剂10和相邻基材15和20进行加热。在此方面，在某种程度上可以由陶瓷基材的耐久性决定温度的上升速率。也就是说，在一些非限制性实施方式中，用于形成所述接合件的加热速率在约60° C/小时和约100° C/小时之间。在其他实施方式中，所述加热速率是约300° C±50° C/小时。在其他实施方式中，所述加热速率是约50° C和100° C/秒之间。在其他非限制性实施方式中，在约10秒的时间内对接合引发剂和邻接的基材区域加热到约800° C。为了形成所述接合件，可以通过任意合适的方式对接合引发剂10和相邻基材15和20进行加热，所述任意合适的方式能够将组件加热到足以在引发剂和基材之间实现交·叉扩散。在一些实施方式中，通过电加热完成加热步骤，其中对陶瓷基材和接合引发剂(和/或含引发剂的化学物质的接合区域)进行电阻加热。在其他实施方式中，可以通过向要接合的区域直接施加焰炬热来进行加热步骤125。在其他实施方式中，可以在炉子、窑或者其他绝热加热器中完成加热步骤。在其他实施方式中，通过用电感或者另一种用于加热陶瓷的合适方法进行加热来完成加热步骤。—旦达到了所需的温度，可以对引发剂10、相邻基材15和20以及所得的接合区域(例如，铝引发的接合区域)加热任意合适的时间，使得发生足量的交叉扩散从而制得所需接合件。在此方面，并在某种程度上，接合引发剂和相邻基材区域与高温接触的程度会确定引发剂的化学物质(例如，铝等)以及陶瓷基材的化学物质(例如，硅、碳、氧等)的交叉扩散的水平。此外，在某种程度上，接合件的质量和强度根据发生的扩散量发生变化。在一些实施方式中，可以将引发剂10、邻接陶瓷区域15和20加热以下任意合适的时间量在约I秒和约1，000小时或者更长的时间之间，或者在约I小时和约500小时之间。在此方面，如果对引发剂和相邻基材进行快速加热(例如，使用焰炬)并且几乎瞬时取消加热，则加热步骤的持续时间最小。因此，虽然在引发剂和各个陶瓷基材之间的界面处有一些交叉扩散，但是仍有足量的引发剂(例如，游离铝)留在接合引发剂的初始区域中。因此，可能需要另外的加工(例如，加热)使得引发剂的化学物质更完全地扩散进入到相邻陶瓷基材中，使得陶瓷化学物质更完全地逆扩散进入到初始区域中。另一方面,如果在约1，500° C完成接合并将该温度在一段延长的时间内基本保持恒定，则引发剂10 (例如，铝)会从初始引发剂区域扩散出来同时进行陶瓷化学物质的逆扩散。以这种方式，所得的接合区域被趋向均质，接合区域的化学组成有点类似于陶瓷本体，非常少的引发剂(例如，游离铝)留在引发剂初始所在的区域。实际上，在将铝引发剂加热到约1，200° C并保持约1，000小时的一些实施方式中，游离铝几乎可以全部从界面和接合件扩散出来，起始的铝几乎会完全消失。作为由于加热步骤125所产生的交叉扩散的结果，在某种程度上，可以将接合区域定义为如下区域包含至少一部分要接合的原始陶瓷片以及来自原始引发剂(例如铝)的剩余的区域。在此方面，接合件可以包含一部分接合的陶瓷基材以及(如果有的话)非常少的用于进行接合的原始接合引发剂(例如铝)。实际上，在某些实施方式中，在加热步骤之后，在引发剂初始所在的区域中基本没有留下引发剂(例如，游尚招)。在其他实施方式中，在根据本发明所述的加工之后，在接合件中留有小于10摩尔％的原始引发剂(例如，游离铝)。在其他实施方式中，在完成所述方法100之后，在接合件中留有小于20摩尔％的原始引发剂。在其他实施方式中，在完成所述方法之后，在接合件中留有小于30摩尔％的原始引发剂。在其他实施方式中，在完成所述方法之后，在接合件中留有小于40摩尔％的原始引发剂。此外，在某些实施方式中，在化学物质在接合引发剂与邻接的第一和第二陶瓷基材之间发生交叉扩散之后，在接合区域中留有小于60摩尔％的初始引发剂(例如，游离铝)。为了更好地理解由于加热步骤125的结果而在接合区域中产生的交叉扩散，以下提供了对于加热步骤作用的更详细的讨论。具体地，在接合引发剂10达到合适的温度(例如，其熔点)之后，引发剂会进入液体相。进而，该液体相会使得在陶瓷基材的化学物质和引发剂(例如，铝箔)之间发生交叉扩散过程以形成新相。具体地，该液相使得来自引发剂的化学物质(例如，铝)对基材进行侵润并扩散进入到与引发剂区域相邻的接合扩散区。此夕卜，在该加热步骤中，来自陶瓷基材的化学物质(例如，来自碳化娃基材的碳和娃；来自氮化硅基材的氮和硅等)可以扩散进入到引发剂区域中。在一些实施方式中，当在环境空气中进·行加热过程时，一部分的接合引发剂(例如，铝)会发生原位氧化(例如，形成氧化铝)。因此，当接合过程涉及通过使用铝接合引发剂使得碳化硅基材与另一个氮化硅基材进行接合时，铝会变化成为氧化铝、碳化铝、硅碳化铝、硅酸铝、铝氧碳化物、铝硅氧碳化物和/或其组合中的一种或多种。类似地，当接合过程涉及通过使用铝接合引发剂使得氮化陶瓷基材与另一种氮化陶瓷基材进行接合时，相信铝会转变成氧化铝、氮化铝硅、氮化铝、硅酸铝和/或其组合中的一种或多种。因此，该加热过程会在接合区域中形成多相陶瓷。在一些实施方式中，当将接合引发剂10和相邻的基材15和20加热到并维持在足够的温度，从而产生了短暂的液体相，发生了引发剂的化学物质和基材的交叉扩散和组成变化。此外，当继续进行该加热过程，基材可以在基本等温、再凝固过程中接合。也就是说，将接合区域维持在合适的温度，引发剂以及邻接的基材的扩散区域通过所述交叉扩散过程倾向于均匀化。在此过程中，形成在基材(例如，碳化硅)界面上的液相会是非常有反应性的，表明基材的化学物质(例如，碳和硅)和引发剂(例如，铝)可以很好地发生交叉扩散。在所述等温再凝固过程中或者之后，以及进一步的均匀化作用，相信形成了碳化铝和碳化铝硅(在碳化硅基材的情况下)或者氮化铝和碳化铝硅(在氮化硅基材的情况下)及其各自的氧碳化物或氧氮化物配对物。在此方面，氧化物可能会增强反应。例如，碳化硅基材(例如基材15和/或20)上的二氧化硅或铝接合引发剂10上的氧化铝可能会实现更好的交叉扩散并有助于形成新的材料。这不同于一些传统钎焊技术，在所述传统钎焊技术中努力维持它们在具有氧化物(例如氧化铝)的接合件中钎焊材料的特性，所述氧化物仅在要接合的基材之间的界面处形成。为了说明作为加热步骤125的结果会发生交叉扩散，图3-5分别显示了铝引发的接合件的实施方式(通过扫描电镜(SEM)得到)的截面显微镜图，所述铝引发的接合件采用接合所需的数种条件中的一种进行处理。具体地，图3-5分别显示了接合区域的SEM显微镜图，所述接合区域在两个碳化硅基材之间形成，使用铝箔作为接合引发剂10。更具体地，图3和4所示的接合区域35在约1，000° C和约524kPA的负荷下形成，图5所示的接合区域35在约1，450° C和约524kPA的负荷下形成。虽然用于产生图3-5中的接合区域35的引发剂10 (例如，铝箔)在接合过程之前的初始厚度分别是约25um，但是图3-5显示引发剂10基本是无法识别的，因为其通过交叉扩散转移进入到平均厚度在约3um和约5um之间的接合区域35中。在此方面,碳化娃基材15和20以及所得的接合区域35之间的界面描述如下由于化学物质的交叉扩散导致基材末端和接合件的起始端并不总是清晰的。此外，尽管在接合过程之后将接合引发剂从25um压缩到小至3um，几乎无迹象表明液相铝在如图3-5所示的接合区域的外部发生聚集。这是另一个迹象表明在引发剂和邻接的基材之间发生了化学物质的交叉扩散。为了更好地显示接合引发剂10的化学物质与相邻的基材15和20之间的交叉扩散，图6-9分别显示了图4的接合区域35的不同部分(标记为框40)通过能量色散X-射线光谱(EDS)进行的测量。具体地，图6显示来自引发剂的铝(例如，16. 45重量％)扩散进入到第一基材15的碳化硅本体区域45。此外，图7和8所示分别是在引发剂初始所在的接合区域35的内部，其中形成了铝硅氧碳化物材料，区域中的碳、硅、铝和氧含量有变化。具体地，图7显示测试区域中铝的量约为42. 56重量％，存在的硅约为28. 94重量％，存在的碳约 为19. 24重量％，以及存在的氧约为2. 84重量％。此外，图8显示靠近接合区域35的中心处，存在的铝、硅、碳和氧分别约为41. 80重量％、约为31. 15重量％、约为19. 96重量％以及约为7. 09重量％。图9则显示了铝扩散进入到第二基材20中。具体地，图9显示在测量区域40，存在的铝、硅、碳和氧分别约为7. 80重量％、约为65. 67重量％、约为24. 35重量％以及约为2. 18重量％。现在回到图2，在加热步骤125以及通过交叉扩散形成接合区域35之后，步骤130显示对接合区域35进行冷却，继续方法100。在此方面，可以以任意合适的方式对接合区域进行冷却，包括，但不限于，环境冷却，在绝热加热器中以受控制的速率进行冷却和/或通过任意其他合适的方式进行冷却。在此方面，对接合区域和/或陶瓷基材进行冷却的速率取决于许多因素，包括，但不限于，接合的陶瓷的类型和形貌。可以用任意合适的方法对用于形成所述接合件的方法100进行改进，包括，但不限于，对该方法一个或多个部分进行重排、添加、去除和/或改进。实际上，图10显示了改进的方法200的一些非限制性实施方式。在一个例子中，显示如何对所述的方法100进行改进，图10的步骤112显示改进的方法200可任选地包括对一个或多个陶瓷基材(例如，基材15和/或20)的界面表面进行研磨。虽然该步骤可以具有许多功能，在一些实施方式中，该步骤提供了两个基材之间的表面一致性(例如，在加热步骤125之前使得两个基材与它们之间的接合引发剂基本固定在一起)和/或对研磨的基材表面进行清洁。因此，尽管不是必须的，但是该研磨过程可能会导致形成更坚固的接合区域。在另一个例子中，图10的步骤114显示可任选地对一个或多个基材界面表面进行清洁，以去除化学物质、碎片、油和/或其他污染物。可以在任意合适的时间进行该清洁步骤与该方法200的其他步骤。但是，在一些实施方式中，清洁步骤在研磨步骤112之前或者之后进行。此外，可以以任意合适的方式进行该清洁步骤，包括，但不限于，通过使用乙醇、丙醇、丙酮、其他溶剂、压缩空气和/或其他合适的清洁剂来对所需表面进行扫除。在额外步骤的另一个例子中，图10的步骤135显示方法200可以涉及一个或多个额外的加热步骤。通过额外的热处理和/或重复加工步骤，接合区域35可以与额外的热量发生接触。因此，会发生额外的交叉扩散，且接合区域会变得更加均匀，从而更靠近动态均衡。因此，在一些实施方式中，当对接合区域进行再加热时，来自(倾向于耐氧化的)基材的额外的化学物质倾向于扩散进入到引发剂区域，而来自引发剂的化学物质扩散进入到抗氧化性基材。因此，不同于通过某些传统钎焊技术制备的接合件(其在接合件中留有明显的钎焊材料片)，将所述接合件与高温重复接触实际上会加强接合件，而不是加速剩余钎焊材料的氧化。其中对接合区域35再加热了一次或多次，可以以任意合适的方式对所述接合区域进行再加热。通过非限制性例子的方式，可以通过使用专用加热机器(例如，焰炬、窑、烤箱、绝热加热器等)和/或通过将其用于高温环境中(例如，用于发动机、反应器等中)对接合区域进行再加热。
此外，虽然可以在任意再加热步骤135中对接合区域35施加负荷(例如，更加步骤120)，但是在一些实施方式中，在再加热步骤时无需对接合区域施加压力。实际上，由于在第一加热步骤时发生的交叉扩散，可以无需对接合件施加任意额外的负荷使得第一陶瓷基材15和第二陶瓷基材(通过，例如铝引发的接合件)保持在一起。图11和12显不,在一些实施方式中，一个或多个额外的加热处理会导致额外的交叉扩散，从而使得接合区域35进一步均匀化。具体地，图11显示了在负荷下接合的初始接合件。作为对比，图12显示了一个类似的接合区域35，该接合区域在约1200° C，但是无压力(即，无负荷)下进行第二次加热约1，000小时。可以发现，图12中的接合区域35看上去明显比图11的接合区域35更均匀。因此，可以发现，在一些实施方式中，额外的加热可以改善接合区域，甚至无需在初始接合过程之后进行负荷。为了对会有一个或多个后续加热步骤相关的额外的交叉扩散进行进一步阐述，图13-15分别显示了图12所示的热循环接合区域的测定部分(标记为40)的EDS光谱图。具体地，图13显示了接合件的本体/界面区域，图14和15显示了在接合件中心处的测量。更具体地，图13-15显示测定的区域的铝浓度分别是约2. 40重量％、约6. 21重量％以及约
5.24重量％。应注意，图14和15的接合区域中所示的低铝浓度(相比于图7和8的接合区域中测得的铝)以及所得接合件的总体碳化硅化学特性。所述接合件及其相关的制备方法可用于任意合适的应用中。在一些非限制性实施方式中，所述接合件以及相关方法可用于热交换器、燃气轮、发动机以及低温和高温都能使用的其他系统。在其他非限制性实施方式中，所述接合件以及方法可用于接合微反应器与各种子部件。类似地，所述接合件以及相关方法可用于反应器或者经过高温的其他环境中，或者包括具有非常高化学活性和/或腐蚀性的环境中。例如，所述方法可用于铺地板以及类似的设计中。在其他实施方式中，所述接合件以及方法可用于碟形卫星天线应用，其中需要将许多部件组装在一起形成构型。尽管将陶瓷叠型卫星天线组件接合在一起的工作是相对劳动密集型，并且当用一些传统钎焊技术时需要大量的工作，但是本发明可以非常快速、低廉地完成此类过程,并且可以将较复杂子部件“匹配”和接合成部件。在另一个实施方式中，所述接合件以及方法可以通过接合从各种组件构建部件，这对于使用陶瓷整体件可能是很难或者几乎不可能的。所述接合件和方法除了前述的特性之外，所述接合件和方法的各种实施方式可以具有数种其他特性。在一个例子中，不同于寻求将钎焊材料保留在接合的基材中的一些传统技术，所述方法的一些实施方式涉及使用接合引发剂与基材之间的交叉扩散以消除引发剂的初始纯度，用新的化学物质替换所述引发剂，从而制备多相接合件。在第二个实施例中，所述接合件相比通过某些传统铝钎焊技术形成的接合件可以在更高温度下使用。实际上，所述某些传统的钎焊技术留下了明显的铝相，其极易受到氧化以及相关的弱化。此外，因为铝的熔点约为660° C，所以通过此类传统技术制备的接合件不能在高于该温度下使用。相反地，在所述接合区域中发生的交叉扩散能够使得所述接合件在高于以下温度的情况下起作用，包括，但不限于，约670° C、约900° C、约1，000° C以及约 1，500° C。
在第三个实施例中，所述方法的一些实施方式使得接合引发剂10充分扩散，使其具有接合的部件的一些特性，从而使其脱离了会阻碍其在高氧化环境下操作的一些原始特性。相反地，一些传统钎焊会留下原始钎焊材料，(上述)钎焊材料易受氧化或氧化环境，或者会容易地弱化，导致接合件不能在非常高温下使用。在第四个实施例中，所述方法没有一些传统钎焊和接合技术那么复杂。实际上，一些钎焊技术必须在真空和/或无氧环境中进行，而所述方法的一些实施方式可以完全在空气和标准大气压下进行，因此消除了对于建立成本昂贵的真空炉系统的需求。类似地，不同于许多传统钎焊技术，本方法的一些实施方式不包括在接合过程之前或者作为接合过程的一部分对基材进行化学处理(例如，将表面游离硅转化成SiN或者SiC)。在第五个实施例中，不同于一些需要掺杂或者合金作为钎焊材料的传统钎焊技术，所述方法的一些实施方式使用铝的基本纯品作为接合引发剂。此外，所述方法的一些实施方式简单地使用铝箔、铝粉末、铝墨和/或其他不昂贵形式的铝作为接合引发剂。在第六个实施例中，不同于一些需要陶瓷基材包含反应粘结的碳化硅(RSBC)的传统钎焊技术，本发明的一些实施方式不使用此类基材。作为替代，所述实施方式使用直接烧结的碳化陶瓷(例如，碳化硅)或者氮化陶瓷。类似地，一些传统钎焊技术需要利用游离硅浸渗剂来使用RSBC，而所述方法的一些实施方式并不涉及此类浸渗剂。在第七个实施例中，一些传统钎焊技术要求在接合前将(例如硅的)表面层加入到基材界面表面，所述方法的一些实施方式并不涉及添加所述表面层。在第八个实施例中，不同于一些传统钎焊技术，所述传统钎焊技术要求在使得陶瓷基材与另一个基材进行接合前对所述陶瓷基材表面进行镀覆金属，本发明的一些实施方式并不涉及对任一种基材进行镀覆金属。在第九个实施例中，不同于寻求避免氧化和保留铝结构的一些传统钎焊技术，所述方法的一些实施例方式得到铝和硅、碳与氧的反应以形成氧碳化铝硅多相材料。在第十个实施例中，所述接合件可以比通过一些传统钎焊技术形成的接合件更坚固。实际上，在一些实施方式中，所述接合区域35的接合强度大于第一陶瓷基材15和第二陶瓷基材20的约50%本体强度。在其他实施方式中，接合区域的接合强度大于约60%的相邻陶瓷基材的本体强度。在其他实施方式中，接合区域的接合强度大于约70%的相邻陶瓷基材的本体强度。在其他实施方式中，接合区域的接合强度大于约80%的相邻陶瓷基材的本体强度。在其他实施方式中，接合区域的接合强度大于约90%的相邻陶瓷基材的本体强度。在其他实施方式中，接合区域的接合强度等于或大于相邻陶瓷基材的本体强度。下面给出了实验结果来说明本发明范围内的各种实施方式。以下仅用于示例说明，应理解以下结果不是全面或者穷举的可以根据本发明进行制备的本发明许多类型的实施方式。图16所示是电脑产生的图形，描述了根据所述方法制备的陶瓷对陶瓷接合件的一些实施方式以及那些通过其它方法(例如，通过使用预陶瓷聚合物(记作PCS)或者接合化合物)制备的陶瓷对陶瓷接合件的结果图。对于根据所述方法制备的接合件，图16显示当在每个接合件中使用铝箔作为接合引发剂10时，分别通过不同的温度和压力的组合形成的接合件。然后根据ASTM Cl 161，通过标准4点弯曲测试分别对试样进行测试。作为结果，图16显示所有用PCS或者接合化合物进行接合的试样都在接合件处损坏，表明它们的接合 件弱于陶瓷基材的本体强度。作为对比，图16显示根据所述方法制备的试样更多地是在基材而不是接合件处发生破裂。因此，图16显示，所述接合区域的强度往往大于或等于相邻陶瓷基材的本体强度。此外图16显示，至少在一些实施方式中，在较高温度(例如，1，200 ° C和
1,450° C)制备的接合件比在较低温度(例如，1，000° C)制备的类似接合件更坚固。还应注意，尽管用于所述接合的碳化硅的碳化硅制造商记录陶瓷基材的挠曲强度大于400MPa (用虚线表示)，但是每一件陶瓷基材在该点的测试都失败。虽然显示并描述了本发明的具体实施方式
和实施例，在不明显偏离本发明精神的前提下能够进行各种修改，并且保护范围仅由所附权利要求书进行限制，而不是根据前述的任意实施方式或者实施例。
权利要求
1.一种陶瓷对陶瓷接合件，其包含 第一陶瓷部件，所述第一陶瓷部件是碳化陶瓷或者氮化陶瓷； 第二陶瓷部件，所述第二陶瓷部件是碳化陶瓷或者氮化陶瓷；以及 对所述第一陶瓷部件和第二陶瓷部件进行接合的铝引发的接合区域，所述接合区域包含来自所述第一陶瓷部件和第二陶瓷部件，并在所述接合区域中进行扩散的化学物质，所述第一陶瓷部件包含与接合区域相邻设置的第一接合扩散区，所述第一接合扩散区包含来自接合区域并在所述第一接合扩散区中进行扩散的铝物质，所述第二陶瓷部件包含与接合区域相邻设置的第二接合扩散区，所述第二接合扩散区包含来自接合区域并在所述第二接合扩散区中进行扩散的铝物质。
2.如权利要求I所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述第一陶瓷部件和第二陶瓷部件包含SiC。
3.如权利要求I所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的50%本体强度。
4.如权利要求I所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的60%本体强度。
5.如权利要求I所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的70%本体强度。
6.如权利要求I所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的80%本体强度。
7.如权利要求I所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的90%本体强度。
8.如权利要求I所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于或等于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的本体强度。
9.一种陶瓷对陶瓷接合件，其包含 第一陶瓷部件，所述第一陶瓷部件是碳化陶瓷或者氮化陶瓷； 第二陶瓷部件，所述第二陶瓷部件是碳化陶瓷或者氮化陶瓷；以及 铝引发的接合区域，其特征在于，该接合区域通过所述接合区域或邻接的第一和第二陶瓷部件之间的化学物质的扩散和逆扩散对第一和第二陶瓷部件进行接合，其中所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的50%本体强度。
10.如权利要求9所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的60%本体强度。
11.如权利要求9所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的70%本体强度。
12.如权利要求9所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的80%本体强度。
13.如权利要求9所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的90%本体强度。
14.如权利要求9所述的陶瓷对陶瓷接合件，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于或等于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的本体强度。
15.一种制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，该方法包括 得到第一陶瓷部件和第二陶瓷部件； 将接合引发剂置于接合 区域中，所述接合区域在第一陶瓷部件和第二陶瓷部件之间并与所述第一陶瓷部件和第二陶瓷部件相邻，其中所述接合引发剂包含铝；并将接合引发剂以及与所述接合引发剂相邻的第一和第二陶瓷部件加热到高于约700° C的温度，并保持足以在接合引发剂以及邻接的第一和第二陶瓷部件之间引起扩散和逆扩散的一段时间。
16.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，将所述接合引发剂以及与所述接合引发剂相邻的第一和第二陶瓷部件加热到高于约800° C的温度。
17.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，将所述接合引发剂以及与所述接合引发剂相邻的第一和第二陶瓷部件加热到高于约900°C的温度。
18.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，将所述接合引发剂以及与所述接合引发剂相邻的第一和第二陶瓷部件加热到高于约1000°C的温度。
19.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的50%本体强度。
20.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的60%本体强度。
21.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的70%本体强度。
22.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的80%本体强度。
23.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的90%本体强度。
24.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合区域的接合强度大于或等于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的本体强度。
25.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合引发剂包含未掺杂的招。
26.如权利要求25所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，铝箔的厚度小于约250 μ m。
27.如权利要求25所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，铝箔的厚度小于约125 μ m。
28.如权利要求25所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，铝箔的厚度大于约25 μ m。
29.如权利要求25所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，铝箔的厚度大于约5 μ m。
30.如权利要求25所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，铝箔的厚度小于约30 μ m。
31.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合引发剂包含招墨。
32.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合引发剂包含铝粉末。
33.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，该方法还包括在加热步骤时对接合区域施加负荷。
34.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述加热步骤包括在热绝缘容器中进行加热。
35.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述加热步骤包括通过焰炬进行局部加热。
36.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述加热步骤包括电阻加热。
37.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，在所述化学物质在接合引发剂以及邻接的第一和第二陶瓷部件之间发生扩散和逆扩散之后，在所述接合区域中基本无游离铝剩余。
38.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，在所述化学物质在接合引发剂以及邻接的第一和第二陶瓷部件之间发生扩散和逆扩散之后，在所述接合区域中具有小于20摩尔％的游离招剩余。
39.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，在所述化学物质在接合引发剂以及邻接的第一和第二陶瓷部件之间发生扩散和逆扩散之后，在所述接合区域中具有小于40摩尔％的游离铝剩余。
40.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，在所述化学物质在接合引发剂以及邻接的第一和第二陶瓷部件之间发生扩散和逆扩散之后，在所述接合区域中具有小于60摩尔％的游离铝剩余。
41.如权利要求15所述的制备陶瓷对陶瓷接合件的方法，其特征在于，该方法还包括通过重复加热步骤并引起接合区域中化学物质的另外的扩散和逆扩散，增加接合区域抗氧化能力。
全文摘要
本发明提供了一种陶瓷对陶瓷接合件及其制备方法。通常，接合件包含第一陶瓷部件(15)和第二陶瓷部件(20)，其中所述第一陶瓷部件(15)和第二陶瓷部件(20)分别包含碳化陶瓷或者氮化陶瓷材料。在一些情况下，铝引发的接合区域对第一陶瓷部件(15)和第二陶瓷部件(20)进行接合。该接合区域通常包含从第一陶瓷部件(15)和第二陶瓷部件(20)扩散进入到接合区域的化学物质。此外，第一陶瓷部件(15)和第二陶瓷部件(20)通常分别包含与接合区域相邻设置的接合扩散区，该接合扩散区包含从接合区域扩散进入到接合扩散区的铝物质。还描述了其他实施方式。
文档编号C04B35/565GK102906051SQ201180025087
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月20日 优先权日2010年5月21日
发明者J·费洛斯, M·威尔森 申请人:塞拉麦泰克股份有限公司