CN102145978B

CN102145978B - 用于连接SiC陶瓷的玻璃焊料、制备方法及应用

Info

Publication number: CN102145978B
Application number: CN 201010108339
Authority: CN
Inventors: 罗朝华; 江东亮; 张景贤; 林庆玲; 陈忠明; 黄政仁
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: CN102145978A

Abstract

本发明涉及一种可用于碳化硅陶瓷连接的玻璃中间层的组成以及其作为中间层焊料连接碳化硅陶瓷的工艺。该玻璃主要成分为Na₂O、B₂O₃、SiO₂以及少量添加剂。本发明通过调节几种氧化物的配比，得到一种熔融温度低、热膨胀系数与常压烧结碳化硅陶瓷相近，并且温度达到1150℃时玻璃焊料在碳化硅陶瓷表面润湿角小于10°，润湿性良好。本发明所提出的连接方案，连接温度低，工艺简单，便于操作，成本低，并且能够得到性能良好的碳化硅连接体。

Description

用于连接SiC陶瓷的玻璃焊料、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种可用于碳化硅陶瓷连接的玻璃焊料的组成、制备方法及其作为中间层焊料连接碳化硅陶瓷的应用。

背景技术

碳化硅是一种典型的共价键结构陶瓷，其密度低、强度大、高温性能好、光学性能优异等，在冶金、机械、化工、建材、轻工、电子等领域中都有广泛的应用。然而对于大尺寸以及复杂形状的陶瓷部件，整体成型与加工难度较大，成本较高。为满足应用中对陶瓷材料的尺寸以及形状的要求，需要采取陶瓷连接的工艺。

目前，碳化硅陶瓷连接的主要方法有活性金属钎焊法、反应连接、扩散焊连接以及氧化物玻璃中间层连接法等。通常这些连接方法都是在真空或者惰性气氛条件下进行，条件要求以及成本较高。其中氧化物玻璃为中间层连接的方法优点在于其组成在很大范围内可调，进而可以调节中间层的热膨胀系数，不仅可使中间层的膨胀系数与基体的热膨胀系数接近且在基体上润湿性能良好。已经有人采用氧化物玻璃作为中间层焊料连接碳化硅陶瓷材料的报道，例如，H.L.LEE等人，(J.Mater.Sci.33(1998)5007-5014)和以MgO-Al₂O₃-SiO₂体系混合氧化物为中间层，得到润湿性良好以及热膨胀系数匹配的连接层，连接强度在342-380MPa之间；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间层连接，也取得了良好的连接效果。但是连接温度超过1450℃，而且需要真空或者惰性气氛保护，析晶等工艺过程比较复杂而且成本较高。

因此，降低连接温度、简化连接工艺过程对于降低成本、提高连接可靠性非常关键。本发明拟以Na₂O-B₂O₃-SiO₂(NBS)体系为连接层，可以在1000℃至1150℃相对较低温度下、并且在常压或空气气氛中进行连接。相关中间层氧化物玻璃焊料组成尚鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于连接SiC陶瓷的玻璃焊料、制备方法及应用。

本发明通过调节玻璃原料几种氧化物的含量，得到了一种热膨胀系数与碳化硅陶瓷接近且润湿性能良好的玻璃焊料。并且以该种玻璃焊料为中间层连接碳化硅陶瓷时，取得了良好的连接效果。

本发明所涉及的玻璃焊料属于Na₂O-B₂O₃-SiO₂体系。其中，Na₂O的质量百分含量在2.0％～20％之间，B₂O₃的质量百分含量在25％～40％之间，余量为SiO₂和其他组成，所述的其他组成为Sb₂O₃和As₂O₃。优先推荐的Na₂O质量百分含量在2.0％～8％之间，B₂O₃的质量百分含量在30％～40％之间，余量为SiO₂和Sb₂O₃及As₂O₃。

其中，Na₂O可以通过纯碱(Na₂CO₃)、芒硝(Na₂SO₄)、氢氧化钠(NaOH)等形式引入；

B₂O₃以硼酸(H₃BO₃)等形式引入；

As₂O₃和Sb₂O₃的质量百分含量＜0.5％。

本发明所提供的中间玻璃焊料的制备方法，包括

(1)按上述组成配料且球磨混合4-24小时；

(2)球磨后的混合粉体在90～100℃干燥4到10小时，然后装入铂金坩埚，在马弗炉中1350-1500℃熔制4到6小时，待熔化澄清后将玻璃焊料高温下倒在冷的不锈钢板上冷却；

(3)将得到的玻璃焊料粉碎过筛(＜45μm)，制备成中间玻璃焊料。

为了测试按上述方法制备的中间玻璃焊料的热膨胀系数曲线，是在步骤(2)玻璃焊料倒在冷的不锈钢板上，将所得的玻璃投入电阻炉中，在一定温度下退火30分钟清除玻璃中热应力，切成4×4×20mm³的尺寸进行测试的结果如图1所示。从图1可以看出，该玻璃的热伸长曲线和碳化硅陶瓷在410℃之前非常接近，连接中间层与碳化硅陶瓷基体热膨胀系数低温阶段匹配良好。

另外，将得到的玻璃研磨成粉后添加一定量溶剂与粘结剂压成1mm厚的圆片放在碳化硅基体上，1000℃至1200℃温度区间内各保温10分钟，冷却，用座滴法测量其润湿角。结果发现温度到1150℃时润湿角小于10°，润湿性良好。

本发明所述的玻璃作为中间层焊料应用中的连接工艺由以下几个步骤组成：

(1)将该中间玻璃焊料制备成浆料并将该浆料均匀涂在待连接碳化硅陶瓷端面，另一待连接碳化硅陶瓷头对头压在中间层上面形成三明治结构，用夹具固定。中间层厚度控制在10-1000微米之间；制备浆料时所常用的粘结剂如PVB(聚乙烯醇缩丁醛)；

(2)将上述夹具固定的三明治结构样品放入电阻炉中，以1-10℃/min的升温速率升到1000-1250℃的温度范围，保温10-180分钟，完成碳化硅陶瓷的连接。

上述所有步骤都是在常压以及空气气氛下进行。

附图说明

图1为玻璃中间层与碳化硅陶瓷热伸长率曲线比较；

图2为以NBS玻璃为连接层的接口微观结构。

图中1表示SiC基体，2表示连接中间层。

具体实施方式

下面通过具体的实例进一步说明本发明对应组成的玻璃性能及其用于连接碳化硅陶瓷的应用。

实施例1：Na₂O质量百分含量为2％-8％，B₂O₃质量百分含量为30％-40％，余量为SiO₂及其他组分时，在20-400℃之间玻璃热膨胀系数为4.29×10^-6K^-1。从图1可以看出，中间玻璃焊料的热伸长率与烧结SiC陶瓷在410℃以下相近。

实施例2：将本发明得到的玻璃料研磨过筛后作为中间层焊料连接碳化硅陶瓷，玻璃中间层焊料均匀涂在待连接两块碳化硅陶瓷表面形成三明治结构，以5℃/min的升温速率升到1100℃，保温1小时。得到材料的三点抗弯强度为111±10MPa。

实施例3：将本发明得到的玻璃料研磨过筛后作为中间层焊料连接碳化硅陶瓷，玻璃中间层焊料均匀涂在待连接两块碳化硅陶瓷表面形成三明治结构，以5℃/min的升温速率升到1150℃，保温10分钟。得到材料的三点抗弯强度为141±27MPa。连接后得到的接口形貌如图2。可以看出，界面处无裂纹或气泡等缺陷，界面结合效果较好，且连接强度良好。

Claims

1.一种制备用于碳化硅陶瓷连接用的中间玻璃焊料的方法，其特征在于所述的中间玻璃焊料为Na₂O-B₂O₃-SiO₂体系，其中Na₂O的质量百分含量在2.0％～20％之间，B₂O₃的质量百分含量在25％～35％之间，余量为SiO₂及其他组成，所述的其他组成为Sb₂O₃和As₂O₃，中间玻璃焊料的制备包括以下几个步骤：

(a)按前述的中间玻璃焊料的组成配料，且球磨混合4-24小时；

(b)球磨后的混合粉体在90～100℃干燥4到10小时，然后装入铂金坩埚，在马弗炉中1350-1500℃熔制4到6小时，待熔化澄清后将玻璃焊料高温下倒在冷的不锈钢板上冷却；

(c)将得到的玻璃焊料粉碎过筛，制备成中间玻璃焊料。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于：

a)步骤a球磨时使用SiC磨球，球磨时的溶剂为去离子水、无水乙醇或丙酮；

b)步骤a的球磨时间为8-16小时；

c)所述的步骤c过筛后的玻璃料粒径＜45μm。

3.按权利要求1所述方法制备的中间玻璃焊料的应用，其特征在于连接SiC陶瓷包括以下步骤：

(1)将所述的中间玻璃焊料，用粘结剂调制成浆料；

(2)将步骤1所制备的浆料均匀涂覆在待连接的SiC陶瓷的两个端面，形成三明治结构，用夹具固定；

(3)将步骤2夹具固定的三明治结构，放入电阻炉中，升温至1000-1250℃保温完成SiC陶瓷的连接。

4.按权利要求3所述的应用，其特征在于步骤(2)所述的涂覆在待连接SiC陶瓷的两个端面的中间玻璃焊料层的厚度为10～1000微米。

5.按权利要求3所述的应用，其特征在于步骤(3)的升温速率为1-10℃/min；保温时间为10-180分钟，且连接工艺是在常压和空气气氛中实施的。