[發明專利]陶瓷和鋁或鋁合金的連接方法

有效

• 申請號: 200910083279.3
• 申請日: 2009-04-30
• 公開（公告）號: CN101538166A
• 公開（公告）日: 2009-09-23
• 發明（設計）人: 寧曉山
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C04B37/02
• 分類號: C04B37/02;C04B41/88
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司
• 代理人: 關 暢

技術領域

本發明涉及一種連接陶瓷和鋁或鋁合金的方法。

背景技術

陶瓷具有耐磨、耐蝕、耐高溫等獨特的性能，是一種重要的工程材料。此外， 陶瓷還具有良好的導熱和絕緣性能，也是一種良好的電子封裝材料。然而，由于陶 瓷比較脆、機械加工困難、導電性能差或者不導電，在許多場合往往需要將其和金 屬連接制作復合材料或者復合結構件。另一方面，鋁也是一種重要的工程材料和導 電材料，是一種目前僅次于鋼鐵，應用最為廣泛的金屬材料。因此，鋁和陶瓷的連 接具有重大的使用價值。

有關陶瓷和鋁的連接方法已經開展了許多研究，先后開發了真空釬焊法、固相 連接法、摩擦焊接法、高真空清潔壓接法、超聲波振動壓接法、鑄接法等連接方法。 其中真空釬焊法是在陶瓷和鋁之間放入低熔點的鋁合金作為焊料，然后在氮氣等惰 性氣體氣氛、或氫氣等還原性氣體氣氛中，或者在10^-3Pa以上的高真空中加熱使鋁 合金焊料熔化，將陶瓷和鋁焊接在一起。固相連接法與釬焊法基本相同，不同之處 在于：加熱溫度較低，焊接過程中沒有液體產生；需要施加足夠大的壓力，以使鋁 和陶瓷連接面相接觸。采用這些方法雖然能夠將鋁和陶瓷連接，但是由于鋁的化學 性質非常活潑，其與氧的平衡分壓在1000℃以下的溫度范圍內小于10^-40Pa，鋁的 表面總是存在著氧化膜，鋁和陶瓷的潤濕性較差，連接界面存在著大量的未連接缺 陷，連接體的力學性能變動大[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卷(1991年)2050-2054頁；E.Saiz；A.P. Tomsia；K.Sugamuma，Wett?ing?and?strength?i?ssues?at?Al/α-alumina interfaces，Journal?of?European?Ceramic?Society，23卷(2003年)2787-2796 頁]，影響其實際應用。

為了消除氧化膜的影響，人們先后發明了摩擦壓接法、超聲波振動壓接法、超 高真空清潔壓接法以及鑄接法。其中摩擦壓接法是將陶瓷和鋁加壓接觸后使它們相 互摩擦以除去鋁表面的氧化膜，然后利用摩擦產生的熱使得陶瓷和鋁壓接在一起； 超聲波振動法的基本原理與摩擦壓接法相同，不同之處在于摩擦是由超聲波振動產 生的；超高真空清潔壓接法是先在真空中用離子轟擊的方法除去鋁表面的氧化膜， 然后在10^-6Pa以上的超高真空中，把鋁和陶瓷壓接在一起；鑄接法是通過將陶瓷插 入鋁液中運動以除去鋁表面的氧化膜，然后使部分鋁液鑄造連接在陶瓷上，實現陶 瓷和金屬的連接。雖然這些方法或多或少地可以除去鋁表面的氧化膜，改善陶瓷和 鋁的連接界面的性能，但是它們也存在許多缺點和不足。例如摩擦壓接法、超聲波 壓接法以及高真空清潔壓接法需要施加很大的壓力，因此對金屬或者陶瓷的形狀有 限制，并且連接后的尺寸精度也很難保證；而鑄接法本質是鑄造方法，一方面金屬 內部容易出現鑄造缺陷，另一方面其形狀及表面精度也受到制約。

發明內容

為了解決鋁表面原生氧化膜妨礙鋁和陶瓷連接，造成連接體性能差的問題，發 明人進行了大量的研究。最終發現采用將陶瓷浸入鋁合金熔液中移動以除去鋁表面 的原生氧化膜，然后將其移出，冷卻，使陶瓷表面粘附的鋁合金液膜凝固，在陶瓷 表面形成粘結牢固的鋁合金膜；然后再用該鋁合金膜作為焊料進行釬焊，可以將陶 瓷與鋁或者鋁合金牢固地連接在一起，從而完成了本發明。即：

本發明的目的是提供一種連接陶瓷和鋁或鋁合金的方法。

本發明所提供的連接陶瓷和鋁或鋁合金的方法，包括如下步驟：1)使陶瓷的 連接面形成厚度為數微米～數十微米的致密的鋁合金1的薄膜；2)以所述薄膜為焊 料，在真空、惰性氣體或還原性氣體氣氛中，將所述陶瓷與鋁或鋁合金2釬焊在一 起。為了防止鋁或鋁合金2熔化變形，控制釬焊溫度高于鋁合金1的熔化溫度，且 低于鋁或者鋁合金2的熔點或熔化溫度。