專(zhuān)利名稱(chēng)：用于連接SiC陶瓷的玻璃焊料、制備方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于碳化硅陶瓷連接的玻璃焊料的組成、制備方法及其作為中 間層焊料連接碳化硅陶瓷的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
碳化硅是一種典型的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)陶瓷，其密度低、強(qiáng)度大、高溫性能好、光學(xué)性能 優(yōu)異等，在冶金、機(jī)械、化工、建材、輕工、電子等領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。然而對(duì)于大尺寸以 及復(fù)雜形狀的陶瓷部件，整體成型與加工難度較大，成本較高。為滿(mǎn)足應(yīng)用中對(duì)陶瓷材料的 尺寸以及形狀的要求，需要采取陶瓷連接的工藝。目前，碳化硅陶瓷連接的主要方法有活性金屬釬焊法、反應(yīng)連接、擴(kuò)散焊連接以 及氧化物玻璃中間層連接法等。通常這些連接方法都是在真空或者惰性氣氛條件下進(jìn) 行，條件要求以及成本較高。其中氧化物玻璃為中間層連接的方法優(yōu)點(diǎn)在于其組成在很 大范圍內(nèi)可調(diào)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)中間層的熱膨脹系數(shù)，不僅可使中間層的膨脹系數(shù)與基體的 熱膨脹系數(shù)接近且在基體上潤(rùn)濕性能良好。已經(jīng)有人采用氧化物玻璃作為中間層焊料 連接碳化硅陶瓷材料的報(bào)道，例如，H. L. LEE等人，(J. Mater. Sci. 33(1998)5007-5014) 和以MgO-Al2O3-SiO2體系混合氧化物為中間層，得到潤(rùn)濕性良好以及熱膨脹系數(shù)匹配 的連接層，連接強(qiáng)度在342-380MPa之間；又如，Timothy J. Perham等人，(J. Am. Ceram. Soc. 82(1999)297-305)用堇青石微晶玻璃作中間層連接，也取得了良好的連接效果。但是 連接溫度超過(guò)1450°C，而且需要真空或者惰性氣氛保護(hù)，析晶等工藝過(guò)程比較復(fù)雜而且成 本較高。因此，降低連接溫度、簡(jiǎn)化連接工藝過(guò)程對(duì)于降低成本、提高連接可靠性非常關(guān) 鍵。本發(fā)明擬以NEi2O-B2O3-SiO2(NBS)體系為連接層，可以在1000°C至1150°C相對(duì)較低溫度 下、并且在常壓或空氣氣氛中進(jìn)行連接。相關(guān)中間層氧化物玻璃焊料組成尚鮮有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于連接SiC陶瓷的玻璃焊料、制備方法及應(yīng)用。本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)玻璃原料幾種氧化物的含量，得到了一種熱膨脹系數(shù)與碳化硅陶 瓷接近且潤(rùn)濕性能良好的玻璃焊料。并且以該種玻璃焊料為中間層連接碳化硅陶瓷時(shí)，取 得了良好的連接效果。本發(fā)明所涉及的玻璃焊料屬于Na2O-B2O3-S^2體系。其中，Nii2O的質(zhì)量百分含量在 2. 0% 20%之間，B2O3的質(zhì)量百分含量在25% 40%之間，余量為SW2和其他組成，所述 的其他組成為Sb2O3和A&03。優(yōu)先推薦的Na2O質(zhì)量百分含量在2. 0% 8%之間，B2O3的質(zhì) 量百分含量在30% 40%之間，余量為SW2和Sl^2O3及A&03。其中，Na2O可以通過(guò)純堿(Na2CO3)、芒硝(Na2SO4)、氫氧化鈉(NaOH)等形式引入；B2O3以硼酸(H3BO3)等形式引入；As2O3和SId2O3的質(zhì)量百分含量< 0. 5%。
本發(fā)明所提供的中間玻璃焊料的制備方法，包括(1)按上述組成配料且球磨混合4-M小時(shí)；(2)球磨后的混合粉體在90 100°C干燥4到10小時(shí)，然后裝入鉬金坩堝，在馬 弗爐中1350-1500°C熔制4到6小時(shí)，待熔化澄清后將玻璃焊料高溫下倒在冷的不銹鋼板上 冷卻；(3)將得到的玻璃焊料粉碎過(guò)篩(< 45 μ m)，制備成中間玻璃焊料。為了測(cè)試按上述方法制備的中間玻璃焊料的熱膨脹系數(shù)曲線，是在步驟( 玻璃 焊料倒在冷的不銹鋼板上，將所得的玻璃投入電阻爐中，在一定溫度下退火30分鐘清除玻 璃中熱應(yīng)力，切成4X4X20mm3的尺寸進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，該玻 璃的熱伸長(zhǎng)曲線和碳化硅陶瓷在410°C之前非常接近，連接中間層與碳化硅陶瓷基體熱膨 脹系數(shù)低溫階段匹配良好。另外，將得到的玻璃研磨成粉后添加一定量溶劑與粘結(jié)劑壓成Imm厚的圓片放在 碳化硅基體上，1000°C至1200°C溫度區(qū)間內(nèi)各保溫10分鐘，冷卻，用座滴法測(cè)量其潤(rùn)濕角。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度到1150°C時(shí)潤(rùn)濕角小于10°，潤(rùn)濕性良好。本發(fā)明所述的玻璃作為中間層焊料應(yīng)用中的連接工藝由以下幾個(gè)步驟組成(1)將該中間玻璃焊料制備成漿料并將該漿料均勻涂在待連接碳化硅陶瓷端面， 另一待連接碳化硅陶瓷頭對(duì)頭壓在中間層上面形成三明治結(jié)構(gòu)，用夾具固定。中間層厚度 控制在10-1000微米之間；制備漿料時(shí)所常用的粘結(jié)劑如PVB (聚乙烯醇縮丁醛)；(2)將上述夾具固定的三明治結(jié)構(gòu)樣品放入電阻爐中，以1-10°C /min的升溫速率 升到1000-1250°C的溫度范圍，保溫10-180分鐘，完成碳化硅陶瓷的連接。上述所有步驟都是在常壓以及空氣氣氛下進(jìn)行。本發(fā)明涉及一種可用于碳化硅陶瓷連接的玻璃中間層的組成以及其作為中間層 焊料連接碳化硅陶瓷的工藝。該玻璃主要成分為Na20、B203、Si02以及少量添加劑。本發(fā)明 通過(guò)調(diào)節(jié)幾種氧化物的配比，得到一種熔融溫度低、熱膨脹系數(shù)與常壓燒結(jié)碳化硅陶瓷相 近，并且溫度達(dá)到1150°C時(shí)玻璃焊料在碳化硅陶瓷表面潤(rùn)濕角小于10°，潤(rùn)濕性良好。本 發(fā)明所提出的連接方案，連接溫度低，工藝簡(jiǎn)單，便于操作，成本低，并且能夠得到性能良好 的碳化硅連接體。


圖1為玻璃中間層與碳化硅陶瓷熱伸長(zhǎng)率曲線比較；圖2為以NBS玻璃為連接層的接口微觀結(jié)構(gòu)。圖中1表示SiC基體，2表示連接中間層。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體的實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明對(duì)應(yīng)組成的玻璃性能及其用于連接碳化 硅陶瓷的應(yīng)用。實(shí)施例1 =Na2O質(zhì)量百分含量為2%-8% ,B2O3質(zhì)量百分含量為30%-40%，余量為 SiO2及其他組分時(shí)，在20-400°C之間玻璃熱膨脹系數(shù)為4. 29 X 10- -1.從圖1可以看出，中 間玻璃焊料的熱伸長(zhǎng)率與燒結(jié)SiC陶瓷在410°C以下相近。
實(shí)施例2 將本發(fā)明得到的玻璃料研磨過(guò)篩后作為中間層焊料連接碳化硅陶瓷， 玻璃中間層焊料均勻涂在待連接兩塊碳化硅陶瓷表面形成三明治結(jié)構(gòu)，以5°C /min的升溫 速率升到1100°C，保溫1小時(shí)。得到材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為111 士 lOMPa。實(shí)施例3 將本發(fā)明得到的玻璃料研磨過(guò)篩后作為中間層焊料連接碳化硅陶瓷， 玻璃中間層焊料均勻涂在待連接兩塊碳化硅陶瓷表面形成三明治結(jié)構(gòu)，以5°C /min的升溫 速率升到1150°C，保溫10分鐘。得到材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為141 士27MPa。連接后得到的 接口形貌如圖2?？梢钥闯觯缑嫣師o(wú)裂紋或氣泡等缺陷，界面結(jié)合效果較好，且連接強(qiáng)度良 好。
權(quán)利要求
1.一種用于碳化硅陶瓷連接用的中間玻璃焊料，其特征在于所述的中間玻璃焊料為 Na2O-B2O3-SiO2體系，其中Nii2O的質(zhì)量百分含量在2. 0% 20%之間，B2O3的質(zhì)量百分含量 在25% 35%之間，余量為SW2及其他組成，所述的其他組成為SId2O3和A&03。
2.按權(quán)利要求1所述的中間玻璃焊料，其特征在于所述的中間玻璃焊料為 Na2O-B2O3-SiO2體系，其中Nii2O的質(zhì)量百分含量在2. 0% 8. 0%之間，B2O3的質(zhì)量百分含量 在30% 40%之間。
3.按權(quán)利要求1或2所述的中間玻璃焊料，其特征在于Nii2O以純堿、芒硝或氫氧化鈉 形式引入。
4.按權(quán)利要求1或2所述的中間玻璃焊料，其特征在于氏03以硼酸的形式引入。
5.按權(quán)利要求1或2所述的中間玻璃焊料，其特征在于SId2O3和As2O3的質(zhì)量百分含量 < 0. 5%。
6.制備如權(quán)利要求1或所述的中間玻璃焊料的方法，其特征在于中間玻璃焊料的制備 包括以下幾個(gè)步驟(a)按權(quán)利要求1或2所述的中間玻璃焊料的組成配料，且球磨混合4-M小時(shí)；(b)球磨后的混合粉體在90 100°C干燥4到10小時(shí)，然后裝入鉬金坩堝，在馬弗爐 中1350-1500°C熔制4到6小時(shí)，待熔化澄清后將玻璃焊料高溫下倒在冷的不銹鋼板上冷 卻；(c)將得到的玻璃焊料粉碎過(guò)篩，制備成中間玻璃焊料。
7.按權(quán)利要求6所述的中間玻璃焊料的制備方法，其特征在于a)步驟a球磨時(shí)使用SiC磨球，球磨時(shí)的溶劑為去離子水、無(wú)水乙醇或丙酮；b)步驟a的球磨時(shí)間為8-16小時(shí)；c)所述的步驟c過(guò)篩后的玻璃料粒徑<45 μ m。
8.按權(quán)利要求1所述的中間玻璃焊料的應(yīng)用，其特征在于連接SiC陶瓷包括以下步驟(1)將所述的中間玻璃焊料，用粘結(jié)劑調(diào)制成漿料；(2)將步驟1所制備的漿料均勻涂復(fù)在待連接的SiC陶瓷的兩個(gè)端面，形成三明治結(jié) 構(gòu)，用夾具固定；(3)將步驟2夾具固定的三明治結(jié)構(gòu)，放入電阻爐中，升溫至1000-1250°C保溫完成SiC 陶瓷的連接。
9.按權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于步驟( 所述的涂復(fù)在待連接SiC陶瓷的兩 個(gè)端面的厚度為10 1000微米。
10.按權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于步驟(3)的升溫速率為l-10°c/min；保溫 時(shí)間為10-180分鐘，且連接工藝是在常壓和空氣氣氛中實(shí)施的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用于碳化硅陶瓷連接的玻璃中間層的組成以及其作為中間層焊料連接碳化硅陶瓷的工藝。該玻璃主要成分為Na2O、B2O3、SiO2以及少量添加劑。本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)幾種氧化物的配比，得到一種熔融溫度低、熱膨脹系數(shù)與常壓燒結(jié)碳化硅陶瓷相近，并且溫度達(dá)到1150℃時(shí)玻璃焊料在碳化硅陶瓷表面潤(rùn)濕角小于10°，潤(rùn)濕性良好。本發(fā)明所提出的連接方案，連接溫度低，工藝簡(jiǎn)單，便于操作，成本低，并且能夠得到性能良好的碳化硅連接體。
文檔編號(hào)C03C12/00GK102145978SQ201010108339
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者張景賢, 林慶玲, 江東亮, 羅朝華, 陳忠明, 黃政仁 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所