CN112062591A - 一种ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结方法、连接件和装置 - Google Patents

一种ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结方法、连接件和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN112062591A
CN112062591A CN202010997080.8A CN202010997080A CN112062591A CN 112062591 A CN112062591 A CN 112062591A CN 202010997080 A CN202010997080 A CN 202010997080A CN 112062591 A CN112062591 A CN 112062591A
Authority
CN
China
Prior art keywords
zro
metal
ceramic
electric field
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010997080.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112062591B (zh
Inventor
沈平
曹越
毛海荣
郭瑞芬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN202010997080.8A priority Critical patent/CN112062591B/zh
Publication of CN112062591A publication Critical patent/CN112062591A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112062591B publication Critical patent/CN112062591B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3246—Stabilised zirconias, e.g. YSZ or cerium stabilised zirconia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper

Abstract

本发明涉及一种ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接方法，具体方法为：将ZrO2粉体压制成含有气孔的坯体，然后依次将金属基板、金属箔、ZrO2坯体置于真空炉中的电极间，并加热到600～1200℃；利用上下电极对ZrO2/金属箔/金属基板先施加电流密度为50～300mA/mm2的交流电，持续3s～30min，再切换输出电流密度为5～300mA/mm2的直流电，持续3s～30min，最后将炉体冷却至室温，得到ZrO2陶瓷与金属基板的连接件。本发明无需在连接前对陶瓷生坯进行高温烧结，而且工作温度低、周期短、普适性强，具有显著的技术优势和较高的应用价值。

Description

一种ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结方法、连接件和装置
技术领域
本发明涉及一种异质材料的烧结连接一体化方法，具体涉及一种ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结方法、连接件和装置。
背景技术
ZrO2陶瓷具有耐高温、耐磨损、高硬度和高温离子导电性等物理特性，在热障涂层、口腔医学和固体氧化物燃料电池(SOFC)等领域具有重要的应用价值。为解决其可加工性差的问题，通常将ZrO2陶瓷与各类金属材料连接以拓展其在工业中的应用。传统的ZrO2/金属接头的制备工艺主要包含两步，先在高温中对陶瓷生坯进行烧结，然后再将其与金属母材置于高温中进行连接。目前，对于ZrO2陶瓷的烧结多采用传统的无压烧结法，该方法通常需要将坯体置于1600℃以上的高温中烧结数小时才可得到致密的ZrO2陶瓷。对于ZrO2陶瓷与金属的连接，目前常采用钎焊和扩散焊等方法。其中，扩散焊需要在足够高的温度下对样品施加较大的压力并保温较长时间，对设备的要求较高。而钎焊技术需要在连接件中间添加Ag、Cu等比母材熔点低的金属或合金作为钎料，利用高温环境下液态钎料在陶瓷上的润湿性，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接。然而，一般Ag基和Cu基钎料在ZrO2上的润湿性不佳，为了提高钎料金属在ZrO2上的润湿性，通常会向钎料基体中添加Zr、Ti、V、Hf等活性元素。这不仅提高材料和制备成本，而且活性元素在钎料中会形成金属间化合物，导致钎料脆性大大增加，加工成箔或丝材困难。另一方面，活性金属与母材在高温下的界面反应不易控制，从而对接头性能也可能造成不利影响。总之，现有的ZrO2/金属接头的制备工艺较为复杂，烧结和连接独立进行，且两者都需要在高温下热处理较长时间才能完成，这无疑造成了能源和成本的大量消耗。
为开发新型高效的陶瓷烧结工艺，Cologna等人在2010年首次提出了一种电场辅助闪光烧结技术(Flash Sintering of Nanograin Zirconia in<5s at 850℃，Journalof the American Ceramic Society,2010年93卷11期，P3556-P3559)。该技术主要利用陶瓷的高温离子导电特性，通过电场引发电流的骤升，在焦耳热的影响下提高粒子活度并促进晶粒表层的扩散迁移速率，使陶瓷迅速致密化。然而该工作描述的只是陶瓷的烧结，并未涉及陶瓷与其他材料的连接。申请人此前提供了一种ZrO2陶瓷与金属连接的方法(中国发明专利申请号：CN201710436241.4，公开号：CN107129316A，发明名称：一种ZrO2陶瓷与金属连接的方法)，该方法以直流电场作为辅助，利用电场引发的界面电化学反应实现了ZrO2陶瓷与金属的连接，接头的抗剪切强度最高可达到144MPa。但是该方法仍需使用预先通过其他方法烧结致密的ZrO2陶瓷作为母材，而且仅适用于可与Zr生成金属间化合物反应相的金属。
发明内容
本发明基于对闪光烧结技术和电场辅助ZrO2陶瓷/金属连接技术的研究，旨在提供一种电场辅助ZrO2与金属的烧结连接一体化方法。本发明可保证在烧结致密、稳定连接的前提下，一步实现ZrO2生坯的烧结及其与金属的连接。可有效解决现有金属/陶瓷连接件制备过程周期长，效率差，能源利用率低的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种电场辅助ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接方法，步骤如下：将金属基板、金属箔，与含有气孔的ZrO2生坯由下至上依次放置在真空炉中的下电极上，抽真空，将炉体加热至目标温度后旋下上压头，利用上下电极对样品组施加单轴压力，然后打开交流电源开关，先对ZrO2/金属箔/金属基板施加交流电场后，关闭交流电源开关并立即打开直流电源开关，再对ZrO2/金属箔/金属基板持续输出直流电场后关闭直流电源开关，然后将炉体冷却至室温，得到ZrO2陶瓷与金属基板的连接件。
作为本发明的进一步改进，具体包括以下步骤：将表面机械抛光并超声清洗的金属基板、金属箔，与含有气孔的ZrO2生坯由下至上依次放置在真空炉中的下电极上，抽真空至10-2～10-5Pa，将炉体加热至目标温度600～1200℃后旋下上压头，利用上下电极对样品组施加0.1～10MPa的单轴压力，然后打开交流电源开关，先对ZrO2/金属箔/金属基板施加交流电场，持续3s～30min后，关闭交流电源开关并立即打开直流电源开关，再对ZrO2/金属箔/金属基板持续输出3s～30min的直流电场后关闭直流电源开关，然后以1～20℃/min的速度将炉体冷却至室温，得到ZrO2陶瓷与金属基板的连接件。
作为本发明的进一步改进，所述ZrO2生坯是由掺杂3～15mol％Y2O3、MgO或CaO稳定剂的ZrO2粉体在≥100MPa的压力下压制而成的含有气孔的ZrO2坯体。
作为本发明的进一步改进，所述金属箔为高温下能与Zr形成金属间化合物界面反应相的纯金属或合金，优选地，所述金属箔包括但不限于铜箔、72Ag28Cu(wt.％)合金、Sn3.0Ag0.5Cu(wt.％)合金。
作为本发明的进一步改进，所述金属基板为高温下能与所用金属箔形成固溶体或金属间化合物界面反应相的纯金属或合金，优选地，所述金属基板包括但不限于304不锈钢基板、镍基高温合金GH3128、纯金属Ni。
作为本发明的进一步改进，所述的交流电场的起始电场强度有效值为50～300V/cm，电流密度有效值为50～300mA/mm2，频率为10～5000Hz。
作为本发明的进一步改进，所述的直流电场的起始电场强度为5～300V/cm，电流密度为5～300mA/mm2，其中金属基板接电源负极，ZrO2陶瓷连接电源正极。
本发明进一步保护一种上述方法制备的ZrO2陶瓷与金属基板的连接件。
本发明进一步保护一种电场辅助ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接装置，所述装置包括高温真空炉和电源***，所述高温真空炉由上压头1、上电极2、ZrO2陶瓷生坯3、金属箔4、金属基板5、下电极6、导线7和炉体12组成，所述电源***包括交流电源8和直流电源9，所述交流电源8连接交流电源开关10，所述直流电源9连接直流电源开关11，其中上压头1可以自由升降并对上电极2施加压力。
作为本发明的进一步改进，所述上电极2和下电极6的材质为石墨，所述导线7为耐高温金属丝，优选地为钼或铂。
本发明实现ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接的机理在于：
含有一定量(3～15mol％)Y2O3、MgO或CaO稳定剂的ZrO2陶瓷在达到一定温度(450℃)后会表现出离子导电特性。随着温度的升高，当陶瓷的电导率达到一定值时，交流电场在陶瓷坯体中引发的焦耳热和质量传输效应会提高粒子活度和颗粒表面物质的扩散迁移速率，从而实现低温下的快速致密化。在此基础上进一步施加直流电时，ZrO2内带正电荷的氧离子空位会向负极迁移，这些氧空位会与晶格内的Zr离子结合形成游离态的金属Zr，同时也会捕获自由电子在ZrO2内部堆积形成细小的空位缺陷。所以，当ZrO2连接电源正极时，ZrO2/Me界面处会生成一层Zr-Me金属间化合物(Me代表所用金属箔)，实现ZrO2/Me界面的连接。同时，ZrO2在电流作用下释放的焦耳热也会快速传导至金属箔/金属基板界面，实际温度与施加的电流密度有关，最高可达到1600℃以上，可轻易实现与金属的连接。
如果在单纯的直流电下进行ZrO2的烧结与连接，那么，连接电源负极部分的ZrO2由于电导率较高，无法产生足够的焦耳热以实现生坯的全致密化。因此，所得到的连接件会因为阴极部分存在较多的孔缺陷而达不到理想的结合。交流电场有助于在ZrO2内产生均匀分布的焦耳热，可实现ZrO2的全致密化。此外，采用柔性金属作为中间过渡层，即使在炉子温度低于金属熔点温度的情况下，由于通电时焦耳热的释放，金属层会发生快速熔化并具有填充界面间缝隙的作用，为连接提供充分的界面接触。因此通过本发明得到的ZrO2-金属接头的强度较高且缺陷较少。
本发明具有如下有益效果：
1.相比于现有的传统烧结加钎焊或扩散焊的金属/陶瓷接头制备方法，本发明无需对陶瓷生坯预先进行高温烧结，可直接通过施加特定的电场一步实现ZrO2陶瓷生坯的烧结及其与金属的连接，大幅缩短了金属/陶瓷连接件的制备周期，降低了能源的消耗。
2.相比于现有的电场辅助连接技术，本发明可依据被连接金属的性质灵活地选择相应的中间层金属箔，因此适用于更广泛的连接体系。而且，闪烧发生所提供的热量能够迅速作用于陶瓷-金属界面，熔化钎料金属，紧接着直流电引发的二次快速加热可将接头制备过程缩短至几十秒甚至几秒内，具有很高的工业应用价值。
3.本发明可以通过调节交流电源和直流电源的参数灵活调控陶瓷体的晶粒尺寸、相对密度和接头的抗剪切强度，具有操作简单，效率高，可控性强的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明采用的试验装置原理图；
图2是本发明实施例一中记录的电场强度、电流密度、功率密度随时间的变化曲线图；
图3是本发明实施例一所获得的ZrO2陶瓷内部的微观形貌图；
图4是本发明实施例一所获得的ZrO2/Cu/304不锈钢接头纵剖面微观形貌图；
图5是本发明实施例二所获得的ZrO2/Cu/304不锈钢接头纵剖面微观形貌图；
图6是本发明实施例三所获得的ZrO2/Cu/304不锈钢接头纵剖面微观形貌图；
其中，1为上压头，2为上电极，3为ZrO2陶瓷生坯，4为金属箔，5为金属基板，6为下电极，7为导线，8为交流电源，9为直流电源，10为交流电源开关，11为直流电源开关，12为炉体。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
试验装置如图1所示，该装置包括高温真空炉和电源***，所述高温真空炉由上压头1、上电极2、ZrO2陶瓷生坯3、金属箔4、金属基板5、下电极6、导线7和炉体12组成，所述电源***包括交流电源8和直流电源9，所述交流电源8连接交流电源开关10，所述直流电源,9连接直流电源开关11，其中上压头1可以自由升降并对上电极2施加压力。
实验前将制备好的ZrO2陶瓷生坯3、金属箔4和机械抛光后的金属基板5依次放置在炉中的下电极6上，同时将交流电源8和直流电源9以图1的方式并联在炉体12的外接电极上。对炉体12抽真空至10-2～10-5Pa，然后升温至目标温度600～1200℃后旋下上压头1，利用上电极2和下电极6对样品组施加0.1～10MPa的单轴压力，然后打开交流电源开关10，施加起始场强有效值为50～300V/cm，电流密度有效值为5～300mA/mm2，频率为10～5000Hz的交流电场，待电流上升至预设的电流密度后保持3s～30min。然后关闭交流电源开关10，打开直流电源开关11，施加起始场强为5～300V/cm，电流密度为5～300mA/mm2的直流电场，待电流上升至预设的电流密度后保持3s～30min。通电结束后关闭直流电源开关11，以1～20℃/min的速率冷却至室温，即完成ZrO2陶瓷生坯3的烧结及其与金属基板5的连接。整个通电过程中电场强度、电流密度和功率密度随时间的变化规律如图2所示。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但本发明不局限于以下实施例。
实施例1
1.将经过机械抛光的304不锈钢基板5、厚度为100μm的铜箔4以及在500MPa下压制的掺杂3mol％Y2O3稳定剂的ZrO2生坯3以图1方式依次放置在炉中的下电极6上；
2.将真空炉抽至1×10-3Pa后，以20℃/min的速率加热至950℃并保温15min；
3.以图1的方式连接电路后，旋下上压头1，对样品组施加6MPa的单轴压力，接通交流电源开关10，施加起始场强为100V/cm，电流密度为100mA/mm2，频率为100Hz的交流电场。待电流密度上升至100mA/mm2后开始计时，保持30s后断开交流电源开关10；
4.接通直流电源开关11，施加起始场强为50V/cm，电流密度为100mA/mm2的直流电场，其中ZrO2连接电源正极，304不锈钢连接电源负极。待电流密度上升至100mA/mm2后开始计时，保持30s后断开直流电源开关11；
5.以5℃/min的速率将炉体12冷却到室温，得到致密的ZrO2陶瓷3与304不锈钢5的连接件。
利用万能试验机(Instron 5689，Instron Corp.,USA)对得到的ZrO2/Cu/304不锈钢接头进行剪切强度测试，得到的接头强度为21±1MPa。
本发明实施例1中记录的电场强度、电流密度和功率密度随时间的变化曲线如图2所示。可以看到交流和直流电场的变化过程类似，先保持在恒压阶段，此时电场强度为预设值，电流密度持续上升。当电流密度上升至预设值后会保持恒定，同时电场强度迅速下降并保持在一个较低值。整个过程可在几十秒内完成。ZrO2陶瓷内部的微观形貌如图3所示，可观察到陶瓷坯体已实现全致密烧结。接头截面的微观形貌如图4所示，ZrO2/Cu界面生成了一层Cu-Zr金属间化合物，实现了ZrO2与Cu的连接。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是：所述的直流电源的电流密度为40mA/mm2，其他参数和步骤与实施例1相同。测得ZrO2/Cu/304不锈钢接头的抗剪切强度为5.3±3MPa。所得接头截面的微观形貌如图5所示，ZrO2/Cu界面处形成了一层夹杂纯Cu相的Cu-Zr金属间化合物，同时其下侧还保留有较多的Cu。我们推测其强度较低的原因是未在ZrO2/Cu界面形成足够的Cu-Zr金属间化合物。
实施例3
本实施例与实施例1不同的是：所述的直流电源的电流密度为120mA/mm2，其他参数和步骤与实施例1相同。测得ZrO2/Cu/304不锈钢接头的抗剪切强度为34±2MPa。所得接头截面的微观形貌如图6所示，ZrO2/Cu界面处形成了一层较厚的Cu-Zr金属间化合物，其下侧仅有少量的Cu层。因此，所得接头的抗剪切强度较高。
实施例4
本实施例与实施例1不同的是：所述的炉体目标温度为800℃，其他参数和步骤与实施例1相同。测得ZrO2/Cu/304不锈钢接头的抗剪切强度为16±3MPa。
实施例5
本实施例与实施例1不同的是：所述的ZrO2为掺杂有8mol％CaO稳定剂的ZrO2陶瓷，其他参数和步骤与实施例1相同。测得ZrO2/Cu/304不锈钢接头的抗剪切强度为18±5MPa。
实施例6
本实施例与实施例1不同的是：所述的金属箔为72Ag28Cu(wt.％)合金，其他参数和步骤与实施例1相同。测得ZrO2/72Ag28Cu/304不锈钢接头的抗剪切强度为42±7MPa。
实施例7
本实施例与实施例1不同的是：所述的金属基板为镍基高温合金GH3128，其他参数和步骤与实施例1相同。测得ZrO2/Cu/GH3128接头的抗剪切强度为37±9MPa。
实施例8
本实施例与实施例1不同的是：所述的金属箔为Sn3.0Ag0.5Cu(wt.％)合金，金属基板为纯金属Ni，其他参数和步骤与实施例1相同。测得ZrO2/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni接头的抗剪切强度为31±4MPa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电场辅助ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接方法，其特征在于，步骤如下：将金属基板、金属箔，与含有气孔的ZrO2生坯由下至上依次放置在真空炉中的下电极上，抽真空，将炉体加热至目标温度后旋下上压头，利用上下电极对样品组施加单轴压力，然后打开交流电源开关，先对ZrO2/金属箔/金属基板施加交流电场后，关闭交流电源开关并立即打开直流电源开关，再对ZrO2/金属箔/金属基板持续输出直流电场后关闭直流电源开关，然后将炉体冷却至室温，得到ZrO2陶瓷与金属基板的连接件。
2.根据权利要求1所述一种电场辅助ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接方法，其特征在于，具体包括以下步骤：将表面机械抛光并超声清洗的金属基板、金属箔，与含有气孔的ZrO2生坯由下至上依次放置在真空炉中的下电极上，抽真空至10-2～10-5Pa，将炉体加热至目标温度600～1200℃后旋下上压头，利用上下电极对样品组施加0.1～10MPa的单轴压力，然后打开交流电源开关，先对ZrO2/金属箔/金属基板施加交流电场，持续3s～30min后，关闭交流电源开关并立即打开直流电源开关，再对ZrO2/金属箔/金属基板持续输出3s～30min的直流电场后关闭直流电源开关，然后以1～20℃/min的速度将炉体冷却至室温，得到ZrO2陶瓷与金属基板的连接件。
3.根据权利要求1所述的一种电场辅助ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接方法，其特征在于，所述ZrO2生坯是由掺杂3～15mol％Y2O3、MgO或CaO稳定剂的ZrO2粉体在≥100MPa的压力下压制而成的含有气孔的ZrO2坯体。
4.根据权利要求1所述的一种电场辅助ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接方法，其特征在于，所述金属箔为高温下能与Zr形成金属间化合物界面反应相的纯金属或合金，优选地，所述金属箔包括但不限于铜箔、72Ag28Cu(wt.％)合金、Sn3.0Ag0.5Cu(wt.％)合金。
5.根据权利要求1所述的一种电场辅助ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接方法，其特征在于，所述金属基板为高温下能与所用金属箔形成固溶体或金属间化合物界面反应相的纯金属或合金，优选地，所述金属基板包括但不限于304不锈钢基板、镍基高温合金GH3128、纯金属Ni。
6.根据权利要求1所述的一种电场辅助ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接方法，其特征在于，所述的交流电场的起始电场强度有效值为50～300V/cm，电流密度有效值为50～300mA/mm2，频率为10～5000Hz。
7.根据权利要求1所述的一种电场辅助ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接方法，其特征在于，所述的直流电场的起始电场强度为5～300V/cm，电流密度为5～300mA/mm2，其中金属基板接电源负极，ZrO2陶瓷连接电源正极。
8.一种如权利要求1-7任一项权利要求所述方法制备的ZrO2陶瓷与金属基板的连接件。
9.一种电场辅助ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结连接装置，其特征在于，所述装置包括高温真空炉和电源***，所述高温真空炉由上压头(1)、上电极(2)、ZrO2陶瓷生坯(3)、金属箔(4)、金属基板(5)、下电极(6)、导线(7)和炉体(12)组成，所述电源***包括交流电源(8)和直流电源(9)，所述交流电源(8)连接交流电源开关(10)，所述直流电源(9)连接直流电源开关(11),其中上压头(1)可以自由升降并对上电极(2)施加压力。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述上电极(2)和下电极(6)的材质为石墨，所述导线(7)为耐高温金属丝，优选地为钼或铂。
CN202010997080.8A 2020-09-21 2020-09-21 一种ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结方法、连接件和装置 Active CN112062591B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010997080.8A CN112062591B (zh) 2020-09-21 2020-09-21 一种ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结方法、连接件和装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010997080.8A CN112062591B (zh) 2020-09-21 2020-09-21 一种ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结方法、连接件和装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112062591A true CN112062591A (zh) 2020-12-11
CN112062591B CN112062591B (zh) 2021-08-03

Family

ID=73682132

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010997080.8A Active CN112062591B (zh) 2020-09-21 2020-09-21 一种ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结方法、连接件和装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112062591B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114478029A (zh) * 2022-02-15 2022-05-13 吉林大学 一种制备abo3型钙钛矿陶瓷块体的方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102335792A (zh) * 2010-07-22 2012-02-01 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 碳钢与氧化锆陶瓷的连接方法及制得的连接件

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102335792A (zh) * 2010-07-22 2012-02-01 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 碳钢与氧化锆陶瓷的连接方法及制得的连接件

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIU JIEMING等: "Flash Sintering of 8YSZ Ceramics under AC Field", 《CONFERENCE ON ELECTRICAL INSULATION AND DIELECTRIC PHENOMENA ANNUAL REPORT》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114478029A (zh) * 2022-02-15 2022-05-13 吉林大学 一种制备abo3型钙钛矿陶瓷块体的方法
CN114478029B (zh) * 2022-02-15 2023-02-03 吉林大学 一种制备abo3型钙钛矿陶瓷块体的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112062591B (zh) 2021-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105712731A (zh) 碳钢与氧化锆陶瓷的连接方法
CN112062591B (zh) 一种ZrO2陶瓷与金属的低温快速烧结方法、连接件和装置
CN109468480A (zh) 脉冲电场辅助的真空包套轧制制备金属基复合材料的方法
CN102995028B (zh) 基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料及制备方法
JP2017171526A (ja) 接合体及び接合体の製造方法
CN110294629A (zh) 一种铬酸镧陶瓷及其制备方法
CN102335793A (zh) 不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法及制得的连接件
US8852786B2 (en) Ceramic-metal sealing structure, and associated method
CN110401989B (zh) 提高微晶玻璃基底上薄膜电极引出线工作稳定性的方法
CN103964885A (zh) 采用锡钎料连接金属镍与氧化锆陶瓷的方法
KR100368627B1 (ko) 반도체 지지 장치 및 그 제조 방법과, 접합체 및 그 제조 방법
CN102140618A (zh) 基于离子注入辐照损伤的互不固溶体系渗金属工艺和装置
CN109161865B (zh) 一种提高Si3N4陶瓷与γ-TiAl合金焊接性能的表面处理方法
CN107129316B (zh) 一种ZrO2陶瓷与金属连接的方法
CN102424986B (zh) 熔盐电解法制备钛钨合金的方法
Li et al. Electrochemically driven rapid wetting of 3YSZ by 60Cu–40Ag and its robust joining to 304 stainless steel
Li et al. Roles of direct current in ultrafast wetting of 3YSZ by Sn3. 0Ag0. 5Cu and joining to Ni
JP4643371B2 (ja) 熱電モジュール
JP2008034721A (ja) 熱電発電素子およびその製造方法
CN107298535B (zh) 一种钛合金-k4玻璃异种材料的复合连接方法
JPS6136180A (ja) セラミックスの加工方法
TW201206861A (en) Process for bonding bronze and alumina ceramic and articles made by the same
RU204320U1 (ru) Электрод для плазменно-дуговой горелки
RU2779038C1 (ru) Способ изготовления батареи трубчатых твердооксидных топливных элементов и батарея, изготовленная заявленным способом
CN112996208B (zh) 一种等离子体炬阴极及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant