專利名稱：陶瓷對(duì)陶瓷接合件及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及陶瓷材料。更具體地，本發(fā)明提供了一種陶瓷對(duì)陶瓷接合件及其制備方法，所述接合件包含多相陶瓷結(jié)合區(qū)域。
背景技術(shù)：
將一片陶瓷材料與另一片陶瓷材料或者一片金屬接合的方法可用于許多技術(shù)領(lǐng)域。實(shí)際上，制造許多復(fù)雜多功能系統(tǒng)(例如，熱交換器、燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)以及高溫和低溫·都能使用的其他系統(tǒng))要求陶瓷與其他陶瓷或者金屬進(jìn)行接合。在一些情況中，使用金屬釬焊技術(shù)將一件陶瓷與另一件陶瓷連接，或者將一件陶瓷與金屬連接。但是，一些金屬釬焊在氧化環(huán)境，特別是高溫下易受到氧化。因此，當(dāng)用金屬釬焊形成的接合件用于氧化環(huán)境和高溫時(shí)，氧化作用傾向于使得接合變?nèi)醪⒖s短其運(yùn)行壽命。雖然已經(jīng)對(duì)一些釬焊技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，從而提升了它們制得的釬焊和接合件在高溫下氧化作用的抗性，但是所述改進(jìn)未必是沒有缺點(diǎn)的。例如，在許多情況下，一些釬焊技術(shù)所提升的抗氧化性會(huì)帶來接合強(qiáng)度的降低，以及釬焊對(duì)陶瓷基材進(jìn)行侵潤(rùn)能力的降低。因此，盡管存在用于將一件陶瓷與另一件陶瓷(或金屬)進(jìn)行連接的技術(shù)，該技術(shù)仍存在包括如上所述的挑戰(zhàn)。針對(duì)這一點(diǎn)，本領(lǐng)域需要一種技術(shù)，該技術(shù)使得特定類型陶瓷間的結(jié)合之如金屬釬焊般容易(金屬釬焊形成了高溫下具有優(yōu)秀強(qiáng)度特性的接合件)，但是該接合件沒有由于氧化作用及其相關(guān)弱化和特性損失導(dǎo)致的溫度限制的相關(guān)缺陷。因此，用其他接合技術(shù)對(duì)某些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)或者甚至替換對(duì)于本領(lǐng)域是一種改進(jìn)。發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種陶瓷對(duì)陶瓷接合件及其制備方法。在一些實(shí)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，接合件包含鋁引發(fā)的接合區(qū)域，該接合區(qū)域連接了第一和第二陶瓷部件。在此方面，接合區(qū)域包含來自第一和第二陶瓷部件，并在所述接合區(qū)域中發(fā)生擴(kuò)散的化學(xué)物質(zhì)。進(jìn)而，第一陶瓷部件包含設(shè)置在與接合區(qū)域相鄰位置的第一接合擴(kuò)散區(qū)，所述第一接合擴(kuò)散區(qū)包含來自接合區(qū)域并在第一接合擴(kuò)散區(qū)中發(fā)生擴(kuò)散的鋁物質(zhì)，第二陶瓷部件包含設(shè)置在接合區(qū)域相鄰位置的第二接合擴(kuò)散區(qū)，所述第二接合擴(kuò)散區(qū)包含來自接合區(qū)域并在第二接合擴(kuò)散區(qū)中發(fā)生擴(kuò)散的鋁物質(zhì)。在其他實(shí)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別包含選自碳化陶瓷或者氮化陶瓷的材料。此外，在該實(shí)施方式中，接合件還包含連接了第一和第二陶瓷部件的鋁引發(fā)的接合區(qū)域，該接合區(qū)域的特征在于化學(xué)物質(zhì)在接合區(qū)域和鄰接的第一和第二陶瓷部件之間發(fā)生擴(kuò)散和逆擴(kuò)散。雖然接合區(qū)域可以具有任意合適的強(qiáng)度，但是在一些情況下，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一和第二陶瓷部件的本體強(qiáng)度的50%。在其他情況下，接合件的強(qiáng)度比第一和第二陶瓷部件的本體強(qiáng)度大約60%、約70%、約80%和約90%。但是在其他情況下，接合件的強(qiáng)度大于或等于第一和第二陶瓷部件的本體強(qiáng)度。對(duì)于形成陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，在一些實(shí)施方式中，該方法可以包括以下步驟得到第一陶瓷部件和第二陶瓷部件，將(包含鋁的)接合引發(fā)劑置于在所述第一陶瓷部件和第二陶瓷部件之間并與它們相鄰的接合區(qū)域中，將接合引發(fā)劑以及與所述接合引發(fā)劑相鄰的第一和第二陶瓷部件加熱到大于約700° C的溫度一段時(shí)間，該時(shí)間足以引起接合引發(fā)劑與鄰接的第一和第二陶瓷部件之間的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生擴(kuò)散和逆擴(kuò)散。在其他實(shí)施方式中，將接合引發(fā)劑以及相鄰的陶瓷基材加熱到以下溫度約800° C、約900° C和約
1,000。Co
通過以下描述和所附權(quán)利要求書或者通過學(xué)習(xí)下文中所述的本發(fā)明的實(shí)踐，可以更充分地理解本發(fā)明的這些特征和優(yōu)點(diǎn)。


為了得到并易于理解實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述及其他特征和優(yōu)點(diǎn)的方式，下面結(jié)合附圖所示的具體實(shí)施方式
更詳細(xì)地描述了上文已作出簡(jiǎn)單描述的本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解這些附圖僅描述了本發(fā)明的代表性實(shí)施方式，并且不是按比例繪制，因此不應(yīng)視為對(duì)其范圍的限制，本發(fā)明將通過使用如下附圖由補(bǔ)充特點(diǎn)和細(xì)節(jié)得以描述和解釋圖I顯示了在形成多相陶瓷接合件之前，在第一和第二基材之間的接合引發(fā)劑的一些實(shí)施方式的示意圖；圖2顯示了用于形成多相陶瓷接合件的方法的代表性實(shí)施方式的流程圖；圖3-5分別顯示了鋁引發(fā)的接合件的一些實(shí)施方式的掃描電鏡的截面圖；圖6-9所示分別是能量色散X-射線光譜結(jié)果，顯示了在接合區(qū)域的代表性實(shí)施方式中的化學(xué)物質(zhì)的交叉擴(kuò)散，其中所述X-射線光譜結(jié)果來自圖4所示的鋁引發(fā)的接合件中的不同位置；圖10顯示了用于形成多相陶瓷接合件的改進(jìn)方法的代表性實(shí)施方式的流程圖；圖11顯示了通過掃描電鏡得到的鋁引發(fā)接合件的一些實(shí)施方式的截面圖，其中所述接合件用單步加熱步驟制備；圖12顯示了通過掃描電鏡得到的鋁引發(fā)接合件的一些實(shí)施方式的截面圖，其中所述接合件用多步加熱步驟制備；圖13-15所示分別是能量色散X-射線光譜結(jié)果，顯示了在接合區(qū)域的代表性實(shí)施方式中的化學(xué)物質(zhì)的交叉擴(kuò)散，其中所述X-射線光譜結(jié)果來自圖12所示的鋁引發(fā)的接合件中的不同位置；以及圖16所示是一些試驗(yàn)結(jié)果圖，其指出了幾種類型的陶瓷對(duì)陶瓷接合件的所得的失效位置。發(fā)明詳述
說明書中提及的“一個(gè)實(shí)施方式”或“一種實(shí)施方式”或者類似語言表示結(jié)合實(shí)施方式描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式中。因此，在本說明書中各種地方出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施方式中”或“在一種實(shí)施方式中”可以，但未必都涉及同一個(gè)實(shí)施方式。此外，雖然以下描述涉及本發(fā)明的各種組件和方面的數(shù)種實(shí)施方式和實(shí)施例，但是所有的所述實(shí)施方式和實(shí)施例應(yīng)理解為在所有方面僅起了說明作用，而不是以任意方式進(jìn)行限制。此外，本發(fā)明所述的特征、結(jié)構(gòu)、或性質(zhì)可以任何合適的方式組合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中。在如下描述中，提供了各種具體詳述，例如合適的陶瓷、接合引發(fā)劑、加熱方法、清潔方法等，以提供對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的完全理解。但是相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明能在一個(gè)或多個(gè)具體細(xì)節(jié)缺失或經(jīng)由其他方法、組件材料等實(shí)施。在其他情況下，沒有顯示眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作或者對(duì)其進(jìn)行詳述，以避免模糊本發(fā)明的各個(gè)方面。
用于在陶瓷之間形成接合件的許多傳統(tǒng)的釬焊技術(shù)包含以下步驟用來自釬焊材料的化學(xué)物質(zhì)對(duì)陶瓷基材進(jìn)行侵潤(rùn)，陶瓷基材自身之間沒有任意明顯的本體相互作用和改變。也就是說，在許多傳統(tǒng)釬焊技術(shù)中，盡管在形成接合件時(shí)釬焊材料自身的化學(xué)性質(zhì)和相會(huì)發(fā)生改變，但是釬焊材料仍基本是獨(dú)立的，并與陶瓷本體發(fā)生粘結(jié)。作為結(jié)果，由一些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)制得的接合件基本依賴于釬焊材料及其化學(xué)物質(zhì)對(duì)于相應(yīng)陶瓷基材的侵潤(rùn)(以及凝固)。相反地，本發(fā)明的一些實(shí)施方式提供了陶瓷對(duì)陶瓷接合件(及其制備方法)，其涉及多相陶瓷的原位形成。在此方面，可以通過化學(xué)物質(zhì)從接合引發(fā)劑(例如，鋁箔)擴(kuò)散進(jìn)入到兩個(gè)或更多個(gè)相鄰陶瓷基材中，并通過化學(xué)物質(zhì)從陶瓷基材逆擴(kuò)散進(jìn)入到接合引發(fā)劑(或者進(jìn)入初始所在的區(qū)域)中來形成所述的接合件。當(dāng)發(fā)生該擴(kuò)散和逆擴(kuò)散時(shí)，在連接的陶瓷基材本體之間的接合區(qū)域中可以形成多種陶瓷。因此，所述陶瓷對(duì)陶瓷接合件在本文可以稱作多相陶瓷接合件。例如，圖I顯示了一些實(shí)施方式，其中接合引發(fā)劑10 (即，鋁層)位于第一陶瓷部件(或基材)15和第二陶瓷部件(或基材)20之間。雖然圖I顯示了接合件形成之前的接合引發(fā)劑10和基材(15和20)，該圖顯示了對(duì)各種組件進(jìn)行(如下所述的)加熱和加工時(shí)，來自引發(fā)劑10的化學(xué)物質(zhì)可以(按照箭頭25)擴(kuò)散進(jìn)入到基材中的接合擴(kuò)散區(qū)(或者與引發(fā)劑相鄰的區(qū)域)。此外，圖I顯示了對(duì)各種組件進(jìn)行加熱和加工時(shí)，來自陶瓷基材(15和20)的化學(xué)物質(zhì)(按照箭頭30)逆擴(kuò)散進(jìn)入到接合引發(fā)劑10中。由于該“交叉擴(kuò)散”，接合引發(fā)劑的尺寸可以明顯減少，并且當(dāng)形成接合件時(shí)從金屬明顯地變?yōu)樘沾?。因此，盡管在形成接合件的初始階段，用來自接合引發(fā)劑的化學(xué)物質(zhì)對(duì)陶瓷基材進(jìn)行侵潤(rùn)是重要的，但是該侵潤(rùn)可以由形成接合件的后續(xù)階段中的固態(tài)擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行替代，從而產(chǎn)生了極其牢固的接合區(qū)域。此外，取決于加工條件，可以形成具有一定范圍陶瓷特性的接合區(qū)域。因此，不同于用于形成陶瓷對(duì)陶瓷接合件的一些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)，所述傳統(tǒng)釬焊技術(shù)在接合的陶瓷之間留有明確和清楚的金屬相(即釬焊材料)，本文所述接合件的一些實(shí)施方式形成了將兩個(gè)陶瓷基材本體連接在一起的多相陶瓷接合區(qū)域?？梢砸匀我夂线m的方式形成所述的多相陶瓷接合區(qū)域(接合區(qū)域或接合件)。在此方面，圖2顯示了用于形成所述多相接合件的方法100的一些實(shí)施方式。更具體地，圖2顯示了用于形成所述接合件的方法100的一些實(shí)施方式，其中所述方法中用于對(duì)接合引發(fā)劑轉(zhuǎn)化進(jìn)行控制的加工參數(shù)可以包括壓力、溫度和時(shí)間。下面對(duì)該方法進(jìn)行了更詳細(xì)的描述。具體地，圖2顯示在一些實(shí)施方式中，方法100從步驟110開始，提供了連接在一起的一個(gè)或多個(gè)陶瓷基材。在此方面，所述方法可以用于產(chǎn)生將任意合適數(shù)量的基材連接在一起的單獨(dú)接合區(qū)域。通過非限制性例子的方法，所述方法可用于將2、3、4、5或者更多陶瓷基材在單個(gè)接合連接在一起。但是出于簡(jiǎn)化的目的，本應(yīng)用著重于將兩個(gè)基材連接在一起。所述方法100可用于將任意合適類型的陶瓷基材連接在一起。合適基材的一些非限制性例子包括以下材料含一種或多種碳化陶瓷(例如，碳化硅、碳化鋁等)、氮化陶瓷(例如，氮化硅等)、塞倫陶瓷及其組合的材料。實(shí)際上，在一些實(shí)施方式中，所述方法用于將一種碳化陶瓷(例如，碳化硅)基材與另一種碳化陶瓷(例如，碳化硅)基材連接在一起。在其他實(shí)施方式中，所述方法用于將一種氮化陶瓷(例如，氮化硅)基材與另一種氮化陶瓷(例如，氮化硅)基材連接在一起。在其他實(shí)施方式中，所述方法用于將一種碳化陶瓷(例如，碳化硅)基材與另一種氮化陶瓷(例如，氮化硅)基材連接在一起。 在步驟115，圖2顯示了可以在第一陶瓷基材15和第二陶瓷基材20之間施加接合引發(fā)劑10進(jìn)行方法100。在此方面，接合引發(fā)劑可以包含任意合適的金屬，該金屬使得其化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入到相鄰的陶瓷基材的接合擴(kuò)散區(qū)中，同時(shí)來自陶瓷基材的化學(xué)物質(zhì)逆擴(kuò)散進(jìn)入到接合引發(fā)劑(或者引發(fā)劑初始所在的位置)中。所述合適的接合引發(fā)劑的一個(gè)非限制性例子包括鋁。出于簡(jiǎn)化，通過使用鋁接合引發(fā)劑形成的多相接合在本文中稱作鋁引發(fā)接
入
口 O接合引發(fā)劑10包含鋁，引發(fā)劑可以包含任意形式的鋁。通過非限制性例子的方式，所述接合引發(fā)劑可以包含未摻雜的鋁(例如，鋁的純樣品或者基本純樣品)。實(shí)際上，在某些實(shí)施方式中，接合引發(fā)劑包含鋁的基本純樣品。在其他實(shí)施方式中，接合引發(fā)劑可以包含摻雜的鋁或者鋁合金。接合引發(fā)劑10初始可以是使得在至少兩個(gè)陶瓷基材(例如，第一基材15和第二基材20)之間形成所述接合件的任意合適的形式或狀態(tài)。通過非限制性例子的方法，接合引發(fā)劑(例如，未摻雜的鋁)初始可以是箔、粉末、墨、凝膠、懸浮固體、溶液或其任意合適的組合。但是在一些實(shí)施方式中，以箔來施加接合引發(fā)劑。可以以任意合適的方式將接合引發(fā)劑10 (例如，鋁樣品)施加到陶瓷基材(例如，第一基材15和第二基材20)之間的接合區(qū)域，使得它的一種或多種化學(xué)物質(zhì)與來自基材的一種或多種化學(xué)物質(zhì)發(fā)生交叉擴(kuò)散從而形成所述接合件。在一個(gè)非限制性例子中，提供位于兩個(gè)陶瓷基材之間的一種或多種獨(dú)立的元素(例如，一種或多種箔片)作為接合引發(fā)劑。但是在另一個(gè)非限制性例子中，對(duì)要連接的一個(gè)或兩個(gè)陶瓷基材都施加了接合引發(fā)劑。在此例子中，可以以任意合適的方式對(duì)一個(gè)或兩個(gè)基材施加了引發(fā)劑，包括，但不限于，通過噴霧、沉積、濺射、氣相沉積、浸涂、網(wǎng)印刷或者任意其他合適的方式施加到基材。此外，可以以涂層或?qū)訉?duì)一個(gè)或兩個(gè)基材施加引發(fā)劑。在此方面，可以在基材之間施加任意合適數(shù)量的引發(fā)劑涂層或?qū)樱?，但不限于?、2、3、4、5層或更多。在對(duì)接合引發(fā)劑(例如鋁箔)和陶瓷基材(例如，基材10和15)進(jìn)行加熱以實(shí)現(xiàn)引發(fā)劑和基材之間(如下所述)的交叉擴(kuò)散之前，所述接合引發(fā)劑可以是任意合適的厚度，實(shí)現(xiàn)所述的交叉擴(kuò)散從而形成所述接合件。具體地，(在某些實(shí)施方式中)如下情況是有益的接合引發(fā)劑的起始厚度足以使得其對(duì)相鄰陶瓷基材(例如，基材15和20)進(jìn)行侵潤(rùn)并擴(kuò)散進(jìn)入其中，而不足以阻礙適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散或?qū)е乱l(fā)劑在接合件表面的過量集中。在此方面，發(fā)現(xiàn)如果引發(fā)劑太寬，則一部分的所述引發(fā)劑會(huì)在接合區(qū)域的外部發(fā)生集中。此外，發(fā)現(xiàn)(由于與接合加工參數(shù)，例如加熱溫度、加熱施加、負(fù)荷等相關(guān)的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)所導(dǎo)致的)如果引發(fā)劑太厚，則陶瓷基材的化學(xué)物質(zhì)因?yàn)閿U(kuò)散距離太長(zhǎng)所以不能擴(kuò)散進(jìn)入到引發(fā)劑的一些部分中。因此，在完成方法100之后，在加工之前過厚的引發(fā)劑的一部分可能仍是完整的(SP，一部分鋁接合引發(fā)劑仍是游離鋁和/或氧化鋁)。因此，在一些實(shí)施方式中，通過選擇合適的接合引發(fā)劑厚度可以實(shí)現(xiàn)提升的接合強(qiáng)度和壽命以及更清潔的外部連接件。在一些實(shí)施方式中，接合引發(fā)劑10的初始厚度大于以下寬度約lum、約5um、約25um、約IOOum以及約200um。相反地,在一些實(shí)施方式中，接合引發(fā)劑的初始厚度小于以下寬度約30um、約125um、約250um以及約1270um。在其他實(shí)施方式中，接合引發(fā)劑初始可以具有上述寬度的任意合適的組合或范圍，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能(例如，寬度在約25um和約254um厚度之間，寬度是約127um±3um厚度或者寬度是約25um±5um厚度)。 回到圖2，步驟120顯示在一些實(shí)施方式中，用于制造所述接合件的方法100涉及當(dāng)進(jìn)行(如下所述的)初始加熱步驟125時(shí)，施加負(fù)荷或力，使得兩個(gè)基材(例如，基材15和20)與接合引發(fā)劑10保持接觸。以這種方式，當(dāng)引發(fā)劑熔化時(shí)，其可以與基材保持接觸，并對(duì)所述基材進(jìn)行侵潤(rùn)。此外，應(yīng)理解較小的負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致接合件較厚，從而該接合件可能需要較長(zhǎng)的加工時(shí)間以實(shí)現(xiàn)所需的化學(xué)物質(zhì)的交叉擴(kuò)散以形成原位陶瓷接合件?？梢詫?duì)第一基材15和/或第二基材20施加任意合適的負(fù)荷，當(dāng)進(jìn)行加熱步驟125時(shí)，將基材與接合引發(fā)劑10保持接觸。實(shí)際上，在一個(gè)實(shí)施方式中，所述負(fù)荷可以是大于約OPa的任意負(fù)荷(包括一個(gè)基材頂部上的其他基材的重量)。在其他實(shí)施方式中，施加的負(fù)荷可以大于約34kPa、約70kPa、約165kPa以及約172kPa。在一些實(shí)施方式中，施加的負(fù)荷可以小于約6. 4MPa、約861kPa、約689kPa、約551kPa以及約524kPa。在其他實(shí)施方式中，施加的負(fù)荷可以包含上述負(fù)荷的任意合適的范圍或組合物，(例如，在約172kPa和約861kPa之間，在約34kPa和約6. 9MPa之間，在約165kPa和約689kPa之間或者在約70kPa和約55IkPa之間)。在步驟125，圖2顯示當(dāng)對(duì)接合引發(fā)劑10 (例如，鋁箔)和陶瓷基材(例如，基材15和20)的相鄰區(qū)域加熱之后可以繼續(xù)進(jìn)行方法100。在此方面，可以在任意合適的時(shí)間進(jìn)行加熱，包括，但不限于，在施加負(fù)荷之后或同時(shí)。因此，如上所述，當(dāng)接合引發(fā)劑開始熔化時(shí)，其可以對(duì)相鄰陶瓷基材進(jìn)行侵潤(rùn)同時(shí)與基材保持完全接觸。為了形成所述接合件，可以將接合引發(fā)劑10以及陶瓷基材(例如，基材15和20)的相鄰部分加熱到任意合適的溫度，使得來自引發(fā)劑的化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入到陶瓷基材的相鄰區(qū)域或者擴(kuò)散區(qū)，同時(shí)來自陶瓷基材的化學(xué)物質(zhì)逆擴(kuò)散進(jìn)入到引發(fā)劑(或者引發(fā)劑初始所在的區(qū)域)。在一些實(shí)施方式中，將引發(fā)劑和相鄰陶瓷基材加熱到高于鋁的熔點(diǎn)的溫度(例如，約660° C)。以這種方式，使得接合引發(fā)劑熔化以提供短暫的液體相，該液體相可以對(duì)相鄰的基材進(jìn)行侵潤(rùn)然后使得化學(xué)物質(zhì)從引發(fā)劑擴(kuò)散進(jìn)入到相鄰的基材區(qū)域。在其他實(shí)施方式中，將接合弓I發(fā)劑10及其相鄰基材(例如，基材15和20 )提升到以下溫度約660° C、約700° C、約800° C、約900° C以及約1，000° C。在一些實(shí)施方式中，通過將引發(fā)劑和相鄰的基材加熱到低于以下溫度完成該接合件的加工，所述溫度選自約1，800° C、約1，600° C、約1，500° C、約1，200° C以及約1，050° C。在其他實(shí)施方式中，方法100可以涉及將引發(fā)劑和相鄰基材加熱到上述溫度的任意合適的組合或范圍，使得形成了所述的接合件(例如，在660° C和1，600° C之間，在800° C和1，000° C之間、在約900° C和約1，100° C之間或者在875° C和1，450° C之間的溫度)。可以以形成所述接合件的任意合適的速率對(duì)接合引發(fā)劑10和相鄰基材15和20進(jìn)行加熱。在此方面，在某種程度上可以由陶瓷基材的耐久性決定溫度的上升速率。也就是說，在一些非限制性實(shí)施方式中，用于形成所述接合件的加熱速率在約60° C/小時(shí)和約100° C/小時(shí)之間。在其他實(shí)施方式中，所述加熱速率是約300° C±50° C/小時(shí)。在其他實(shí)施方式中，所述加熱速率是約50° C和100° C/秒之間。在其他非限制性實(shí)施方式中，在約10秒的時(shí)間內(nèi)對(duì)接合引發(fā)劑和鄰接的基材區(qū)域加熱到約800° C。為了形成所述接合件，可以通過任意合適的方式對(duì)接合引發(fā)劑10和相鄰基材15和20進(jìn)行加熱，所述任意合適的方式能夠?qū)⒔M件加熱到足以在引發(fā)劑和基材之間實(shí)現(xiàn)交·叉擴(kuò)散。在一些實(shí)施方式中，通過電加熱完成加熱步驟，其中對(duì)陶瓷基材和接合引發(fā)劑(和/或含引發(fā)劑的化學(xué)物質(zhì)的接合區(qū)域)進(jìn)行電阻加熱。在其他實(shí)施方式中，可以通過向要接合的區(qū)域直接施加焰炬熱來進(jìn)行加熱步驟125。在其他實(shí)施方式中，可以在爐子、窯或者其他絕熱加熱器中完成加熱步驟。在其他實(shí)施方式中，通過用電感或者另一種用于加熱陶瓷的合適方法進(jìn)行加熱來完成加熱步驟?！┻_(dá)到了所需的溫度，可以對(duì)引發(fā)劑10、相鄰基材15和20以及所得的接合區(qū)域(例如，鋁引發(fā)的接合區(qū)域)加熱任意合適的時(shí)間，使得發(fā)生足量的交叉擴(kuò)散從而制得所需接合件。在此方面，并在某種程度上，接合引發(fā)劑和相鄰基材區(qū)域與高溫接觸的程度會(huì)確定引發(fā)劑的化學(xué)物質(zhì)(例如，鋁等)以及陶瓷基材的化學(xué)物質(zhì)(例如，硅、碳、氧等)的交叉擴(kuò)散的水平。此外，在某種程度上，接合件的質(zhì)量和強(qiáng)度根據(jù)發(fā)生的擴(kuò)散量發(fā)生變化。在一些實(shí)施方式中，可以將引發(fā)劑10、鄰接陶瓷區(qū)域15和20加熱以下任意合適的時(shí)間量在約I秒和約1，000小時(shí)或者更長(zhǎng)的時(shí)間之間，或者在約I小時(shí)和約500小時(shí)之間。在此方面，如果對(duì)引發(fā)劑和相鄰基材進(jìn)行快速加熱(例如，使用焰炬)并且?guī)缀跛矔r(shí)取消加熱，則加熱步驟的持續(xù)時(shí)間最小。因此，雖然在引發(fā)劑和各個(gè)陶瓷基材之間的界面處有一些交叉擴(kuò)散，但是仍有足量的引發(fā)劑(例如，游離鋁)留在接合引發(fā)劑的初始區(qū)域中。因此，可能需要另外的加工(例如，加熱)使得引發(fā)劑的化學(xué)物質(zhì)更完全地?cái)U(kuò)散進(jìn)入到相鄰陶瓷基材中，使得陶瓷化學(xué)物質(zhì)更完全地逆擴(kuò)散進(jìn)入到初始區(qū)域中。另一方面,如果在約1，500° C完成接合并將該溫度在一段延長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)基本保持恒定，則引發(fā)劑10 (例如，鋁)會(huì)從初始引發(fā)劑區(qū)域擴(kuò)散出來同時(shí)進(jìn)行陶瓷化學(xué)物質(zhì)的逆擴(kuò)散。以這種方式，所得的接合區(qū)域被趨向均質(zhì)，接合區(qū)域的化學(xué)組成有點(diǎn)類似于陶瓷本體，非常少的引發(fā)劑(例如，游離鋁)留在引發(fā)劑初始所在的區(qū)域。實(shí)際上，在將鋁引發(fā)劑加熱到約1，200° C并保持約1，000小時(shí)的一些實(shí)施方式中，游離鋁幾乎可以全部從界面和接合件擴(kuò)散出來，起始的鋁幾乎會(huì)完全消失。作為由于加熱步驟125所產(chǎn)生的交叉擴(kuò)散的結(jié)果，在某種程度上，可以將接合區(qū)域定義為如下區(qū)域包含至少一部分要接合的原始陶瓷片以及來自原始引發(fā)劑(例如鋁)的剩余的區(qū)域。在此方面，接合件可以包含一部分接合的陶瓷基材以及(如果有的話)非常少的用于進(jìn)行接合的原始接合引發(fā)劑(例如鋁)。實(shí)際上，在某些實(shí)施方式中，在加熱步驟之后，在引發(fā)劑初始所在的區(qū)域中基本沒有留下引發(fā)劑(例如，游尚招)。在其他實(shí)施方式中，在根據(jù)本發(fā)明所述的加工之后，在接合件中留有小于10摩爾％的原始引發(fā)劑(例如，游離鋁)。在其他實(shí)施方式中，在完成所述方法100之后，在接合件中留有小于20摩爾％的原始引發(fā)劑。在其他實(shí)施方式中，在完成所述方法之后，在接合件中留有小于30摩爾％的原始引發(fā)劑。在其他實(shí)施方式中，在完成所述方法之后，在接合件中留有小于40摩爾％的原始引發(fā)劑。此外，在某些實(shí)施方式中，在化學(xué)物質(zhì)在接合引發(fā)劑與鄰接的第一和第二陶瓷基材之間發(fā)生交叉擴(kuò)散之后，在接合區(qū)域中留有小于60摩爾％的初始引發(fā)劑(例如，游離鋁)。為了更好地理解由于加熱步驟125的結(jié)果而在接合區(qū)域中產(chǎn)生的交叉擴(kuò)散，以下提供了對(duì)于加熱步驟作用的更詳細(xì)的討論。具體地，在接合引發(fā)劑10達(dá)到合適的溫度(例如，其熔點(diǎn))之后，引發(fā)劑會(huì)進(jìn)入液體相。進(jìn)而，該液體相會(huì)使得在陶瓷基材的化學(xué)物質(zhì)和引發(fā)劑(例如，鋁箔)之間發(fā)生交叉擴(kuò)散過程以形成新相。具體地，該液相使得來自引發(fā)劑的化學(xué)物質(zhì)(例如，鋁)對(duì)基材進(jìn)行侵潤(rùn)并擴(kuò)散進(jìn)入到與引發(fā)劑區(qū)域相鄰的接合擴(kuò)散區(qū)。此夕卜，在該加熱步驟中，來自陶瓷基材的化學(xué)物質(zhì)(例如，來自碳化娃基材的碳和娃；來自氮化硅基材的氮和硅等)可以擴(kuò)散進(jìn)入到引發(fā)劑區(qū)域中。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)在環(huán)境空氣中進(jìn)·行加熱過程時(shí)，一部分的接合引發(fā)劑(例如，鋁)會(huì)發(fā)生原位氧化(例如，形成氧化鋁)。因此，當(dāng)接合過程涉及通過使用鋁接合引發(fā)劑使得碳化硅基材與另一個(gè)氮化硅基材進(jìn)行接合時(shí)，鋁會(huì)變化成為氧化鋁、碳化鋁、硅碳化鋁、硅酸鋁、鋁氧碳化物、鋁硅氧碳化物和/或其組合中的一種或多種。類似地，當(dāng)接合過程涉及通過使用鋁接合引發(fā)劑使得氮化陶瓷基材與另一種氮化陶瓷基材進(jìn)行接合時(shí)，相信鋁會(huì)轉(zhuǎn)變成氧化鋁、氮化鋁硅、氮化鋁、硅酸鋁和/或其組合中的一種或多種。因此，該加熱過程會(huì)在接合區(qū)域中形成多相陶瓷。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)將接合引發(fā)劑10和相鄰的基材15和20加熱到并維持在足夠的溫度，從而產(chǎn)生了短暫的液體相，發(fā)生了引發(fā)劑的化學(xué)物質(zhì)和基材的交叉擴(kuò)散和組成變化。此外，當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行該加熱過程，基材可以在基本等溫、再凝固過程中接合。也就是說，將接合區(qū)域維持在合適的溫度，引發(fā)劑以及鄰接的基材的擴(kuò)散區(qū)域通過所述交叉擴(kuò)散過程傾向于均勻化。在此過程中，形成在基材(例如，碳化硅)界面上的液相會(huì)是非常有反應(yīng)性的，表明基材的化學(xué)物質(zhì)(例如，碳和硅)和引發(fā)劑(例如，鋁)可以很好地發(fā)生交叉擴(kuò)散。在所述等溫再凝固過程中或者之后，以及進(jìn)一步的均勻化作用，相信形成了碳化鋁和碳化鋁硅(在碳化硅基材的情況下)或者氮化鋁和碳化鋁硅(在氮化硅基材的情況下)及其各自的氧碳化物或氧氮化物配對(duì)物。在此方面，氧化物可能會(huì)增強(qiáng)反應(yīng)。例如，碳化硅基材(例如基材15和/或20)上的二氧化硅或鋁接合引發(fā)劑10上的氧化鋁可能會(huì)實(shí)現(xiàn)更好的交叉擴(kuò)散并有助于形成新的材料。這不同于一些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)，在所述傳統(tǒng)釬焊技術(shù)中努力維持它們?cè)诰哂醒趸?例如氧化鋁)的接合件中釬焊材料的特性，所述氧化物僅在要接合的基材之間的界面處形成。為了說明作為加熱步驟125的結(jié)果會(huì)發(fā)生交叉擴(kuò)散，圖3-5分別顯示了鋁引發(fā)的接合件的實(shí)施方式(通過掃描電鏡(SEM)得到)的截面顯微鏡圖，所述鋁引發(fā)的接合件采用接合所需的數(shù)種條件中的一種進(jìn)行處理。具體地，圖3-5分別顯示了接合區(qū)域的SEM顯微鏡圖，所述接合區(qū)域在兩個(gè)碳化硅基材之間形成，使用鋁箔作為接合引發(fā)劑10。更具體地，圖3和4所示的接合區(qū)域35在約1，000° C和約524kPA的負(fù)荷下形成，圖5所示的接合區(qū)域35在約1，450° C和約524kPA的負(fù)荷下形成。雖然用于產(chǎn)生圖3-5中的接合區(qū)域35的引發(fā)劑10 (例如，鋁箔)在接合過程之前的初始厚度分別是約25um，但是圖3-5顯示引發(fā)劑10基本是無法識(shí)別的，因?yàn)槠渫ㄟ^交叉擴(kuò)散轉(zhuǎn)移進(jìn)入到平均厚度在約3um和約5um之間的接合區(qū)域35中。在此方面,碳化娃基材15和20以及所得的接合區(qū)域35之間的界面描述如下由于化學(xué)物質(zhì)的交叉擴(kuò)散導(dǎo)致基材末端和接合件的起始端并不總是清晰的。此外，盡管在接合過程之后將接合引發(fā)劑從25um壓縮到小至3um，幾乎無跡象表明液相鋁在如圖3-5所示的接合區(qū)域的外部發(fā)生聚集。這是另一個(gè)跡象表明在引發(fā)劑和鄰接的基材之間發(fā)生了化學(xué)物質(zhì)的交叉擴(kuò)散。為了更好地顯示接合引發(fā)劑10的化學(xué)物質(zhì)與相鄰的基材15和20之間的交叉擴(kuò)散，圖6-9分別顯示了圖4的接合區(qū)域35的不同部分(標(biāo)記為框40)通過能量色散X-射線光譜(EDS)進(jìn)行的測(cè)量。具體地，圖6顯示來自引發(fā)劑的鋁(例如，16. 45重量％)擴(kuò)散進(jìn)入到第一基材15的碳化硅本體區(qū)域45。此外，圖7和8所示分別是在引發(fā)劑初始所在的接合區(qū)域35的內(nèi)部，其中形成了鋁硅氧碳化物材料，區(qū)域中的碳、硅、鋁和氧含量有變化。具體地，圖7顯示測(cè)試區(qū)域中鋁的量約為42. 56重量％，存在的硅約為28. 94重量％，存在的碳約 為19. 24重量％，以及存在的氧約為2. 84重量％。此外，圖8顯示靠近接合區(qū)域35的中心處，存在的鋁、硅、碳和氧分別約為41. 80重量％、約為31. 15重量％、約為19. 96重量％以及約為7. 09重量％。圖9則顯示了鋁擴(kuò)散進(jìn)入到第二基材20中。具體地，圖9顯示在測(cè)量區(qū)域40，存在的鋁、硅、碳和氧分別約為7. 80重量％、約為65. 67重量％、約為24. 35重量％以及約為2. 18重量％。現(xiàn)在回到圖2，在加熱步驟125以及通過交叉擴(kuò)散形成接合區(qū)域35之后，步驟130顯示對(duì)接合區(qū)域35進(jìn)行冷卻，繼續(xù)方法100。在此方面，可以以任意合適的方式對(duì)接合區(qū)域進(jìn)行冷卻，包括，但不限于，環(huán)境冷卻，在絕熱加熱器中以受控制的速率進(jìn)行冷卻和/或通過任意其他合適的方式進(jìn)行冷卻。在此方面，對(duì)接合區(qū)域和/或陶瓷基材進(jìn)行冷卻的速率取決于許多因素，包括，但不限于，接合的陶瓷的類型和形貌?？梢杂萌我夂线m的方法對(duì)用于形成所述接合件的方法100進(jìn)行改進(jìn)，包括，但不限于，對(duì)該方法一個(gè)或多個(gè)部分進(jìn)行重排、添加、去除和/或改進(jìn)。實(shí)際上，圖10顯示了改進(jìn)的方法200的一些非限制性實(shí)施方式。在一個(gè)例子中，顯示如何對(duì)所述的方法100進(jìn)行改進(jìn)，圖10的步驟112顯示改進(jìn)的方法200可任選地包括對(duì)一個(gè)或多個(gè)陶瓷基材(例如，基材15和/或20)的界面表面進(jìn)行研磨。雖然該步驟可以具有許多功能，在一些實(shí)施方式中，該步驟提供了兩個(gè)基材之間的表面一致性(例如，在加熱步驟125之前使得兩個(gè)基材與它們之間的接合引發(fā)劑基本固定在一起)和/或?qū)ρ心サ幕谋砻孢M(jìn)行清潔。因此，盡管不是必須的，但是該研磨過程可能會(huì)導(dǎo)致形成更堅(jiān)固的接合區(qū)域。在另一個(gè)例子中，圖10的步驟114顯示可任選地對(duì)一個(gè)或多個(gè)基材界面表面進(jìn)行清潔，以去除化學(xué)物質(zhì)、碎片、油和/或其他污染物?？梢栽谌我夂线m的時(shí)間進(jìn)行該清潔步驟與該方法200的其他步驟。但是，在一些實(shí)施方式中，清潔步驟在研磨步驟112之前或者之后進(jìn)行。此外，可以以任意合適的方式進(jìn)行該清潔步驟，包括，但不限于，通過使用乙醇、丙醇、丙酮、其他溶劑、壓縮空氣和/或其他合適的清潔劑來對(duì)所需表面進(jìn)行掃除。在額外步驟的另一個(gè)例子中，圖10的步驟135顯示方法200可以涉及一個(gè)或多個(gè)額外的加熱步驟。通過額外的熱處理和/或重復(fù)加工步驟，接合區(qū)域35可以與額外的熱量發(fā)生接觸。因此，會(huì)發(fā)生額外的交叉擴(kuò)散，且接合區(qū)域會(huì)變得更加均勻，從而更靠近動(dòng)態(tài)均衡。因此，在一些實(shí)施方式中，當(dāng)對(duì)接合區(qū)域進(jìn)行再加熱時(shí)，來自(傾向于耐氧化的)基材的額外的化學(xué)物質(zhì)傾向于擴(kuò)散進(jìn)入到引發(fā)劑區(qū)域，而來自引發(fā)劑的化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入到抗氧化性基材。因此，不同于通過某些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)制備的接合件(其在接合件中留有明顯的釬焊材料片)，將所述接合件與高溫重復(fù)接觸實(shí)際上會(huì)加強(qiáng)接合件，而不是加速剩余釬焊材料的氧化。其中對(duì)接合區(qū)域35再加熱了一次或多次，可以以任意合適的方式對(duì)所述接合區(qū)域進(jìn)行再加熱。通過非限制性例子的方式，可以通過使用專用加熱機(jī)器(例如，焰炬、窯、烤箱、絕熱加熱器等)和/或通過將其用于高溫環(huán)境中(例如，用于發(fā)動(dòng)機(jī)、反應(yīng)器等中)對(duì)接合區(qū)域進(jìn)行再加熱。
此外，雖然可以在任意再加熱步驟135中對(duì)接合區(qū)域35施加負(fù)荷(例如，更加步驟120)，但是在一些實(shí)施方式中，在再加熱步驟時(shí)無需對(duì)接合區(qū)域施加壓力。實(shí)際上，由于在第一加熱步驟時(shí)發(fā)生的交叉擴(kuò)散，可以無需對(duì)接合件施加任意額外的負(fù)荷使得第一陶瓷基材15和第二陶瓷基材(通過，例如鋁引發(fā)的接合件)保持在一起。圖11和12顯不,在一些實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)額外的加熱處理會(huì)導(dǎo)致額外的交叉擴(kuò)散，從而使得接合區(qū)域35進(jìn)一步均勻化。具體地，圖11顯示了在負(fù)荷下接合的初始接合件。作為對(duì)比，圖12顯示了一個(gè)類似的接合區(qū)域35，該接合區(qū)域在約1200° C，但是無壓力(即，無負(fù)荷)下進(jìn)行第二次加熱約1，000小時(shí)?？梢园l(fā)現(xiàn)，圖12中的接合區(qū)域35看上去明顯比圖11的接合區(qū)域35更均勻。因此，可以發(fā)現(xiàn)，在一些實(shí)施方式中，額外的加熱可以改善接合區(qū)域，甚至無需在初始接合過程之后進(jìn)行負(fù)荷。為了對(duì)會(huì)有一個(gè)或多個(gè)后續(xù)加熱步驟相關(guān)的額外的交叉擴(kuò)散進(jìn)行進(jìn)一步闡述，圖13-15分別顯示了圖12所示的熱循環(huán)接合區(qū)域的測(cè)定部分(標(biāo)記為40)的EDS光譜圖。具體地，圖13顯示了接合件的本體/界面區(qū)域，圖14和15顯示了在接合件中心處的測(cè)量。更具體地，圖13-15顯示測(cè)定的區(qū)域的鋁濃度分別是約2. 40重量％、約6. 21重量％以及約
5.24重量％。應(yīng)注意，圖14和15的接合區(qū)域中所示的低鋁濃度(相比于圖7和8的接合區(qū)域中測(cè)得的鋁)以及所得接合件的總體碳化硅化學(xué)特性。所述接合件及其相關(guān)的制備方法可用于任意合適的應(yīng)用中。在一些非限制性實(shí)施方式中，所述接合件以及相關(guān)方法可用于熱交換器、燃?xì)廨?、發(fā)動(dòng)機(jī)以及低溫和高溫都能使用的其他系統(tǒng)。在其他非限制性實(shí)施方式中，所述接合件以及方法可用于接合微反應(yīng)器與各種子部件。類似地，所述接合件以及相關(guān)方法可用于反應(yīng)器或者經(jīng)過高溫的其他環(huán)境中，或者包括具有非常高化學(xué)活性和/或腐蝕性的環(huán)境中。例如，所述方法可用于鋪地板以及類似的設(shè)計(jì)中。在其他實(shí)施方式中，所述接合件以及方法可用于碟形衛(wèi)星天線應(yīng)用，其中需要將許多部件組裝在一起形成構(gòu)型。盡管將陶瓷疊型衛(wèi)星天線組件接合在一起的工作是相對(duì)勞動(dòng)密集型，并且當(dāng)用一些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)時(shí)需要大量的工作，但是本發(fā)明可以非常快速、低廉地完成此類過程,并且可以將較復(fù)雜子部件“匹配”和接合成部件。在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述接合件以及方法可以通過接合從各種組件構(gòu)建部件，這對(duì)于使用陶瓷整體件可能是很難或者幾乎不可能的。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種實(shí)施方式可以具有數(shù)種其他特性。在一個(gè)例子中，不同于尋求將釬焊材料保留在接合的基材中的一些傳統(tǒng)技術(shù)，所述方法的一些實(shí)施方式涉及使用接合引發(fā)劑與基材之間的交叉擴(kuò)散以消除引發(fā)劑的初始純度，用新的化學(xué)物質(zhì)替換所述引發(fā)劑，從而制備多相接合件。在第二個(gè)實(shí)施例中，所述接合件相比通過某些傳統(tǒng)鋁釬焊技術(shù)形成的接合件可以在更高溫度下使用。實(shí)際上，所述某些傳統(tǒng)的釬焊技術(shù)留下了明顯的鋁相，其極易受到氧化以及相關(guān)的弱化。此外，因?yàn)殇X的熔點(diǎn)約為660° C，所以通過此類傳統(tǒng)技術(shù)制備的接合件不能在高于該溫度下使用。相反地，在所述接合區(qū)域中發(fā)生的交叉擴(kuò)散能夠使得所述接合件在高于以下溫度的情況下起作用，包括，但不限于，約670° C、約900° C、約1，000° C以及約 1，500° C。
在第三個(gè)實(shí)施例中，所述方法的一些實(shí)施方式使得接合引發(fā)劑10充分?jǐn)U散，使其具有接合的部件的一些特性，從而使其脫離了會(huì)阻礙其在高氧化環(huán)境下操作的一些原始特性。相反地，一些傳統(tǒng)釬焊會(huì)留下原始釬焊材料，(上述)釬焊材料易受氧化或氧化環(huán)境，或者會(huì)容易地弱化，導(dǎo)致接合件不能在非常高溫下使用。在第四個(gè)實(shí)施例中，所述方法沒有一些傳統(tǒng)釬焊和接合技術(shù)那么復(fù)雜。實(shí)際上，一些釬焊技術(shù)必須在真空和/或無氧環(huán)境中進(jìn)行，而所述方法的一些實(shí)施方式可以完全在空氣和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行，因此消除了對(duì)于建立成本昂貴的真空爐系統(tǒng)的需求。類似地，不同于許多傳統(tǒng)釬焊技術(shù)，本方法的一些實(shí)施方式不包括在接合過程之前或者作為接合過程的一部分對(duì)基材進(jìn)行化學(xué)處理(例如，將表面游離硅轉(zhuǎn)化成SiN或者SiC)。在第五個(gè)實(shí)施例中，不同于一些需要摻雜或者合金作為釬焊材料的傳統(tǒng)釬焊技術(shù)，所述方法的一些實(shí)施方式使用鋁的基本純品作為接合引發(fā)劑。此外，所述方法的一些實(shí)施方式簡(jiǎn)單地使用鋁箔、鋁粉末、鋁墨和/或其他不昂貴形式的鋁作為接合引發(fā)劑。在第六個(gè)實(shí)施例中，不同于一些需要陶瓷基材包含反應(yīng)粘結(jié)的碳化硅(RSBC)的傳統(tǒng)釬焊技術(shù)，本發(fā)明的一些實(shí)施方式不使用此類基材。作為替代，所述實(shí)施方式使用直接燒結(jié)的碳化陶瓷(例如，碳化硅)或者氮化陶瓷。類似地，一些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)需要利用游離硅浸滲劑來使用RSBC，而所述方法的一些實(shí)施方式并不涉及此類浸滲劑。在第七個(gè)實(shí)施例中，一些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)要求在接合前將(例如硅的)表面層加入到基材界面表面，所述方法的一些實(shí)施方式并不涉及添加所述表面層。在第八個(gè)實(shí)施例中，不同于一些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)，所述傳統(tǒng)釬焊技術(shù)要求在使得陶瓷基材與另一個(gè)基材進(jìn)行接合前對(duì)所述陶瓷基材表面進(jìn)行鍍覆金屬，本發(fā)明的一些實(shí)施方式并不涉及對(duì)任一種基材進(jìn)行鍍覆金屬。在第九個(gè)實(shí)施例中，不同于尋求避免氧化和保留鋁結(jié)構(gòu)的一些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)，所述方法的一些實(shí)施例方式得到鋁和硅、碳與氧的反應(yīng)以形成氧碳化鋁硅多相材料。在第十個(gè)實(shí)施例中，所述接合件可以比通過一些傳統(tǒng)釬焊技術(shù)形成的接合件更堅(jiān)固。實(shí)際上，在一些實(shí)施方式中，所述接合區(qū)域35的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷基材15和第二陶瓷基材20的約50%本體強(qiáng)度。在其他實(shí)施方式中，接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于約60%的相鄰陶瓷基材的本體強(qiáng)度。在其他實(shí)施方式中，接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于約70%的相鄰陶瓷基材的本體強(qiáng)度。在其他實(shí)施方式中，接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于約80%的相鄰陶瓷基材的本體強(qiáng)度。在其他實(shí)施方式中，接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于約90%的相鄰陶瓷基材的本體強(qiáng)度。在其他實(shí)施方式中，接合區(qū)域的接合強(qiáng)度等于或大于相鄰陶瓷基材的本體強(qiáng)度。下面給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果來說明本發(fā)明范圍內(nèi)的各種實(shí)施方式。以下僅用于示例說明，應(yīng)理解以下結(jié)果不是全面或者窮舉的可以根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行制備的本發(fā)明許多類型的實(shí)施方式。圖16所示是電腦產(chǎn)生的圖形，描述了根據(jù)所述方法制備的陶瓷對(duì)陶瓷接合件的一些實(shí)施方式以及那些通過其它方法(例如，通過使用預(yù)陶瓷聚合物(記作PCS)或者接合化合物)制備的陶瓷對(duì)陶瓷接合件的結(jié)果圖。對(duì)于根據(jù)所述方法制備的接合件，圖16顯示當(dāng)在每個(gè)接合件中使用鋁箔作為接合引發(fā)劑10時(shí)，分別通過不同的溫度和壓力的組合形成的接合件。然后根據(jù)ASTM Cl 161，通過標(biāo)準(zhǔn)4點(diǎn)彎曲測(cè)試分別對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試。作為結(jié)果，圖16顯示所有用PCS或者接合化合物進(jìn)行接合的試樣都在接合件處損壞，表明它們的接合 件弱于陶瓷基材的本體強(qiáng)度。作為對(duì)比，圖16顯示根據(jù)所述方法制備的試樣更多地是在基材而不是接合件處發(fā)生破裂。因此，圖16顯示，所述接合區(qū)域的強(qiáng)度往往大于或等于相鄰陶瓷基材的本體強(qiáng)度。此外圖16顯示，至少在一些實(shí)施方式中，在較高溫度(例如，1，200 ° C和
1,450° C)制備的接合件比在較低溫度(例如，1，000° C)制備的類似接合件更堅(jiān)固。還應(yīng)注意，盡管用于所述接合的碳化硅的碳化硅制造商記錄陶瓷基材的撓曲強(qiáng)度大于400MPa (用虛線表示)，但是每一件陶瓷基材在該點(diǎn)的測(cè)試都失敗。雖然顯示并描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
和實(shí)施例，在不明顯偏離本發(fā)明精神的前提下能夠進(jìn)行各種修改，并且保護(hù)范圍僅由所附權(quán)利要求書進(jìn)行限制，而不是根據(jù)前述的任意實(shí)施方式或者實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷對(duì)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 對(duì)所述第一陶瓷部件和第二陶瓷部件進(jìn)行接合的鋁引發(fā)的接合區(qū)域，所述接合區(qū)域包含來自所述第一陶瓷部件和第二陶瓷部件，并在所述接合區(qū)域中進(jìn)行擴(kuò)散的化學(xué)物質(zhì)，所述第一陶瓷部件包含與接合區(qū)域相鄰設(shè)置的第一接合擴(kuò)散區(qū)，所述第一接合擴(kuò)散區(qū)包含來自接合區(qū)域并在所述第一接合擴(kuò)散區(qū)中進(jìn)行擴(kuò)散的鋁物質(zhì)，所述第二陶瓷部件包含與接合區(qū)域相鄰設(shè)置的第二接合擴(kuò)散區(qū)，所述第二接合擴(kuò)散區(qū)包含來自接合區(qū)域并在所述第二接合擴(kuò)散區(qū)中進(jìn)行擴(kuò)散的鋁物質(zhì)。
2.如權(quán)利要求I所述的陶瓷對(duì)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.如權(quán)利要求I所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的50%本體強(qiáng)度。
4.如權(quán)利要求I所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的60%本體強(qiáng)度。
5.如權(quán)利要求I所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的70%本體強(qiáng)度。
6.如權(quán)利要求I所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的80%本體強(qiáng)度。
7.如權(quán)利要求I所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的90%本體強(qiáng)度。
8.如權(quán)利要求I所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于或等于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的本體強(qiáng)度。
9.一種陶瓷對(duì)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 鋁引發(fā)的接合區(qū)域，其特征在于，該接合區(qū)域通過所述接合區(qū)域或鄰接的第一和第二陶瓷部件之間的化學(xué)物質(zhì)的擴(kuò)散和逆擴(kuò)散對(duì)第一和第二陶瓷部件進(jìn)行接合，其中所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的50%本體強(qiáng)度。
10.如權(quán)利要求9所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的60%本體強(qiáng)度。
11.如權(quán)利要求9所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的70%本體強(qiáng)度。
12.如權(quán)利要求9所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的80%本體強(qiáng)度。
13.如權(quán)利要求9所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的90%本體強(qiáng)度。
14.如權(quán)利要求9所述的陶瓷對(duì)陶瓷接合件，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于或等于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的本體強(qiáng)度。
15.一種制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，該方法包括 得到第一陶瓷部件和第二陶瓷部件； 將接合引發(fā)劑置于接合 區(qū)域中，所述接合區(qū)域在第一陶瓷部件和第二陶瓷部件之間并與所述第一陶瓷部件和第二陶瓷部件相鄰，其中所述接合引發(fā)劑包含鋁；并將接合引發(fā)劑以及與所述接合引發(fā)劑相鄰的第一和第二陶瓷部件加熱到高于約700° C的溫度，并保持足以在接合引發(fā)劑以及鄰接的第一和第二陶瓷部件之間引起擴(kuò)散和逆擴(kuò)散的一段時(shí)間。
16.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，將所述接合引發(fā)劑以及與所述接合引發(fā)劑相鄰的第一和第二陶瓷部件加熱到高于約800° C的溫度。
17.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，將所述接合引發(fā)劑以及與所述接合引發(fā)劑相鄰的第一和第二陶瓷部件加熱到高于約900°C的溫度。
18.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，將所述接合引發(fā)劑以及與所述接合引發(fā)劑相鄰的第一和第二陶瓷部件加熱到高于約1000°C的溫度。
19.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的50%本體強(qiáng)度。
20.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的60%本體強(qiáng)度。
21.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的70%本體強(qiáng)度。
22.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的80%本體強(qiáng)度。
23.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的90%本體強(qiáng)度。
24.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合區(qū)域的接合強(qiáng)度大于或等于第一陶瓷部件和第二陶瓷部件的本體強(qiáng)度。
25.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合引發(fā)劑包含未摻雜的招。
26.如權(quán)利要求25所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，鋁箔的厚度小于約250 μ m。
27.如權(quán)利要求25所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，鋁箔的厚度小于約125 μ m。
28.如權(quán)利要求25所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，鋁箔的厚度大于約25 μ m。
29.如權(quán)利要求25所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，鋁箔的厚度大于約5 μ m。
30.如權(quán)利要求25所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，鋁箔的厚度小于約30 μ m。
31.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合引發(fā)劑包含招墨。
32.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述接合引發(fā)劑包含鋁粉末。
33.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，該方法還包括在加熱步驟時(shí)對(duì)接合區(qū)域施加負(fù)荷。
34.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述加熱步驟包括在熱絕緣容器中進(jìn)行加熱。
35.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述加熱步驟包括通過焰炬進(jìn)行局部加熱。
36.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，所述加熱步驟包括電阻加熱。
37.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，在所述化學(xué)物質(zhì)在接合引發(fā)劑以及鄰接的第一和第二陶瓷部件之間發(fā)生擴(kuò)散和逆擴(kuò)散之后，在所述接合區(qū)域中基本無游離鋁剩余。
38.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，在所述化學(xué)物質(zhì)在接合引發(fā)劑以及鄰接的第一和第二陶瓷部件之間發(fā)生擴(kuò)散和逆擴(kuò)散之后，在所述接合區(qū)域中具有小于20摩爾％的游離招剩余。
39.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，在所述化學(xué)物質(zhì)在接合引發(fā)劑以及鄰接的第一和第二陶瓷部件之間發(fā)生擴(kuò)散和逆擴(kuò)散之后，在所述接合區(qū)域中具有小于40摩爾％的游離鋁剩余。
40.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，在所述化學(xué)物質(zhì)在接合引發(fā)劑以及鄰接的第一和第二陶瓷部件之間發(fā)生擴(kuò)散和逆擴(kuò)散之后，在所述接合區(qū)域中具有小于60摩爾％的游離鋁剩余。
41.如權(quán)利要求15所述的制備陶瓷對(duì)陶瓷接合件的方法，其特征在于，該方法還包括通過重復(fù)加熱步驟并引起接合區(qū)域中化學(xué)物質(zhì)的另外的擴(kuò)散和逆擴(kuò)散，增加接合區(qū)域抗氧化能力。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種陶瓷對(duì)陶瓷接合件及其制備方法。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)分別包含碳化陶瓷或者氮化陶瓷材料。在一些情況下，鋁引發(fā)的接合區(qū)域?qū)Φ谝惶沾刹考?15)和第二陶瓷部件(20)進(jìn)行接合。該接合區(qū)域通常包含從第一陶瓷部件(15)和第二陶瓷部件(20)擴(kuò)散進(jìn)入到接合區(qū)域的化學(xué)物質(zhì)。此外，第一陶瓷部件(15)和第二陶瓷部件(20)通常分別包含與接合區(qū)域相鄰設(shè)置的接合擴(kuò)散區(qū)，該接合擴(kuò)散區(qū)包含從接合區(qū)域擴(kuò)散進(jìn)入到接合擴(kuò)散區(qū)的鋁物質(zhì)。還描述了其他實(shí)施方式。
文檔編號(hào)C04B35/565GK102906051SQ201180025087
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
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