[發明專利]一種用于陶瓷材料的快速連接方法

在審

• 申請號: 201811442234.6
• 申請日: 2018-11-29
• 公開（公告）號: CN109320279A
• 公開（公告）日: 2019-02-12
• 發明（設計）人: 吳強德
• 申請（專利權）人: 嘉興柴薪科技有限公司
• 主分類號: C04B37/00
• 分類號: C04B37/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于陶瓷材料連接技術領域，提供了一種用于陶瓷材料的快速連接方法，采用Ti3SiC2系列材料作為高溫中間層材料，將中間層原料和陶瓷材料按照陶瓷材料、中間層原料、陶瓷材料方式裝配入石墨模具，采用放電等離子燒結技術實現陶瓷材料的原位反應快速連接，在連接碳化硅陶瓷時，取得了良好的連接效果，高溫中間層材料可以用來直接連接陶瓷材料及陶瓷基復合材料，不需要在連接前對陶瓷材料表面進行表面預鍍膜或其它改性處理，采用此高溫中間層材料連接的陶瓷材料，連接強度高且高溫性能穩定。采用此連接方法，可以實現Ti3SiC2系列中間層材料合成與陶瓷材料連接一步完成，連接工藝簡便、快速、易操作。

技術領域

本發明屬于陶瓷材料連接技術領域，尤其涉及一種用于陶瓷材料的快速連接方法。

背景技術

先進結構陶瓷如：氮化硅、碳化硅、氧化鋯、氧化鋁、六方氮化硼，因其優良的高溫力學性能、低熱膨脹系數、高導熱率、良好的抗熱沖擊性及比重輕，只有一般金屬的三分之一，被廣泛應用于各種苛刻的高溫環境。但由于陶瓷材料結構上的特點，如斷裂韌性較低，強度分散性大，使用可靠性差，加工性差，這些缺點限制了它們的發展和應用。具體表現在兩方面：首先，大塊陶瓷材料的固有缺陷，如氣孔、微裂紋等難以消除且分布不均勻，導致強度分散；相對而言，小塊陶瓷制造容易，更容易獲得良好的力學性能。其次，由于陶瓷材料的本征脆性和不可變形性，當制造形狀復雜的陶瓷零部件時易在其尖角處產生應力集中，而又不能通過塑性變形加以轉移和松弛，導致陶瓷破裂。由此使得先進陶瓷材料的工程應用在很大程度上受到限制。在實際應用時，為了克服其脆性及難加工等問題，常常需要連接后使用。同時，利用連接技術可以將形狀簡單的小部件連接為形狀復雜的大部件，從而克服陶瓷材料難以加工的缺點。另外，利用連接技術可以很容易地對零部件進行修復從而提高陶瓷結構的可靠性和使用壽命。由于這幾方面的原因使得陶瓷連接成為先進結構陶瓷材料實用化、工程化，從而推動先進陶瓷材料更廣泛應用的一項十分必要的技術。

目前得到較好應用的是在受力較小的電真空器件以及受力雖然較大但使用溫度不高的場合。用公認的最成熟的釬料Ag-Cu-Ti(3-7wtTi)釬焊Si3N4-Si3N4陶瓷，室溫接頭四點彎曲強度可達到789MPa。

但是Ag-Cu-Ti釬料抗氧化性差，用它釬焊的接頭不能用于450℃以上的環境，因此制約了先進結構陶瓷高溫性能的發揮。

國內外最近十多年以來在研究陶瓷連接用的新型高溫釬料中，采用的方式有：(1)采用高熔點的貴金屬作為釬料。JH.Selrverian等人在使用Au-Pd-Ni釬焊Si3N4陶瓷和Ni時，分別在陶瓷表面上鍍Ti、Zr或Hf，發現鍍Ti時釬料的潤濕性最好，抗剪切強度最高，室溫下為75-100MPa，500℃時抗剪切強度為85-105MPa，而貴金屬釬料的價格比較昂貴，實際生產中難以推廣。

采用CuNiTiB急冷釬料來連接Si3N4陶瓷，研究發現經急冷處理的Cu-(5-25)Ni-(16-28)TiB釬料的組織比未經急冷處理的釬料更均勻，有利于提高Si3N4/Si3N4接頭的強度。

采用非晶中間層。非晶態釬料也是目前陶瓷/陶瓷、陶瓷/金屬釬焊領域一個重要的研究方向。Naka研究了3種成分的Cu-Ti非晶態釬料連接Si3N4陶瓷，接頭室溫剪切強度最高為313MPa。

然而采用金屬材料作為中間層還是存在很多的缺點：(1)陶瓷與金屬的界面處不容易產生良好的接合。一方面是由于這兩種材料的晶格類型不同，金屬材料系金屬鍵，而SiC陶瓷材料系共價鍵；另一方面，陶瓷材料化學穩定性好，通常金屬對陶瓷材料的潤濕性較差，即兩種材料的相容性較差。(2)陶瓷和金屬的熱膨脹系數相差很大，造成了連接后接頭中的殘余應力過高；(3)金屬中間層抗氧化性、抗腐蝕性較差，用它們連接的接頭不適用于復雜的高溫環境；(4)金屬中間層連接陶瓷材料時在界面反應過程中容易形成脆性化合物，影響連接件性能。

綜上所述，目前國內外還缺乏可直接用于先進結構陶瓷連接且接頭在高溫下具有穩定高溫性能的實用高溫中間層材料及連接技術。