CN116178038B - 一种采用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法，属于焊接技术领域。该方法是利用双层玻璃焊料分步连接异种陶瓷，抑制界面反应，从而获得兼具高强度和高透光率的接头。具体为：将两种玻璃焊料粉体制成浆料后分别均匀涂覆至透明尖晶石陶瓷和透明蓝宝石陶瓷表面；先将涂覆玻璃浆料的蓝宝石和涂覆玻璃浆料的尖晶石放置于马弗炉中进行第一步连接；再按照蓝宝石/玻璃层/尖晶石顺序进行装配并施加一定压力，放置于马弗炉中进行第二步连接。本发明制备的双层玻璃焊料对异种陶瓷的热膨胀系数和折射系数进行梯度过渡，从而能够提高接头强度，保证接头透光性。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法。
背景技术
透明镁铝尖晶石陶瓷(MgAl2O4)和透明蓝宝石陶瓷(单晶状态的Al2O3)是常用的红外透明陶瓷，在红外探测器窗口等领域具有广阔的应用前景。当然这两种透明陶瓷的性能也存在一定的区别。例如，镁铝尖晶石陶瓷的透光波长范围较宽，制备成本相对较低，但其力学性能偏低。蓝宝石陶瓷的强度高，但由于其为单晶材料，制备成本较高。因此，将这两种透明陶瓷连接在一起，能够利用其各自的优点，从而避免各自的不足。
玻璃焊料具有优异的透光性、与陶瓷材料具有良好的化学相容性，且玻璃焊料的热膨胀系数、折射系数等理化性质可以通过对玻璃焊料的成分设计进行调控。因此，玻璃焊料是连接透明陶瓷的理想材料。
然而，为了获得良好透光性的接头，必须避免玻璃焊料与陶瓷母材之间的界面反应，防止在界面处形成新相。采用单层玻璃焊料连接异种透明陶瓷时，必须同时避免玻璃焊料与两种陶瓷材料之间的界面反应，难于实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的连接方法，能够获得兼具高强度和高透光率的异质陶瓷接头。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种采用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法，其特征在于：该方法利用两种玻璃焊料(玻璃焊料Ⅰ和玻璃焊料Ⅱ)分步连接异种陶瓷，制得蓝宝石/玻璃焊料Ⅰ/玻璃焊料Ⅱ/尖晶石接头。
所述玻璃焊料Ⅰ按照重量百分比计的组成为：La2O3：50-58％，SiO2：18-25％，B2O3：12-18％，Nb2O5：4-8％，Ta2O5：2-8％；所述玻璃焊料Ⅱ的组成是在玻璃焊料Ⅰ成分的基础上添加MgO，添加MgO的量为玻璃焊料Ⅰ重量的4-8％。
该连接方法具体包括以下步骤：
(1)材料准备：对尖晶石陶瓷和蓝宝石陶瓷以丙酮为介质进行超声清洗，去除油污，超声时间5-20min，然后吹干备用；
(2)玻璃焊料制备：按照玻璃焊料Ⅰ和玻璃焊料Ⅱ的化学成分各自称量氧化物原料，均匀混合后采用熔融-水淬法制备得到玻璃焊料Ⅰ粉体和玻璃焊料Ⅱ粉体；
(3)第一步连接：将玻璃焊料Ⅰ粉体和玻璃焊料Ⅱ粉体分别制成玻璃浆料Ⅰ和玻璃浆料Ⅱ，将玻璃浆料Ⅰ涂覆在蓝宝石陶瓷表面，将玻璃浆料Ⅱ涂覆在尖晶石陶瓷表面，然后放入空气气氛的马弗炉中进行加热和保温处理；保温结束后，快冷至室温；在蓝宝石陶瓷和尖晶石陶瓷表面分别得到玻璃层Ⅰ和玻璃层Ⅱ；
(4)表面处理：分别将蓝宝石和尖晶石陶瓷表面的玻璃层Ⅰ和玻璃层Ⅱ进行磨平，抛光；
(5)第二步连接：按照“蓝宝石/玻璃层Ⅰ/玻璃层Ⅱ/尖晶石”的顺序进行装配，同时采用放置重物的方式对接头施加一定的压力(在接头上表面放置物体以施加竖直向下的压力)；将装配好并施加压力的样品放入空气气氛的马弗炉中进行加热和保温处理；保温结束后，随炉冷却至室温，获得所述蓝宝石/玻璃焊料Ⅰ/玻璃焊料Ⅱ/尖晶石接头，实现了异种陶瓷之间的双层玻璃焊料连接。
上述步骤(2)中，所述熔融-水淬法过程为：将称量好的用于制备玻璃焊料Ⅰ或玻璃焊料Ⅱ的氧化物原料粉体放入球磨罐中，以酒精或去离子水为球磨介质，ZrO2为磨球进行球磨，球磨转速为400-500转/min，球磨时间为2-5h；球磨完成后对所得混合粉体进行烘干，烘干后的物料倒入铂金坩埚或刚玉坩埚中，并放入空气气氛的马弗炉中加热至1500-1600℃，保温1-3h后将所得玻璃熔体迅速倒入去离子水中，进而获得玻璃碎块；将玻璃碎块放入玛瑙球磨罐中，以玛瑙为磨球进行球磨，球磨转速为400-500转/min，球磨时间为2-5h；球磨完成后所得玻璃碎块和玻璃粉体的混合物，进行筛分分离出玻璃碎块后，将筛分后剩余的玻璃粉体进行烘干，即得到玻璃焊料Ⅰ粉体或玻璃焊料Ⅱ粉体。
上述步骤(3)中，将玻璃焊料Ⅰ粉体和玻璃焊料Ⅱ粉体制成浆料的过程为：向玻璃焊料Ⅰ粉体或玻璃焊料Ⅱ粉体中加入占玻璃粉体重量3-6％的无水乙醇和3-5％的乙基纤维素，然后用玻璃棒快速搅拌使其混合均匀，得到玻璃浆料Ⅰ或玻璃浆料Ⅱ。
上述步骤(3)中，加热和保温过程为：以10-20℃/min升温至1350-1450℃，保温10-30min；为抑制玻璃晶化，快冷过程要求冷却速度高于40℃/min，可通过向马弗炉中通入惰性气体实现，也可直接把样品从炉中取出，在空气中冷却。
上述步骤(4)中，采用研磨液进行磨平，所述研磨液是将直径为7-14μm的刚玉粉末加入水中获得；采用抛光液进行抛光，所述抛光液是将直径为0.65-0.95μm的氧化铈粉末加入水中获得；磨平和抛光过程中，控制透明陶瓷表面玻璃层厚度在20-50μm。
上述步骤(5)中，对焊接接头施加的压力为0.5-3KPa。
上述步骤(5)中，加热和保温过程为：以5-15℃/min升温速度升温至850-950℃，保温30-60min。
本发明的优点和有益效果如下：
(1)本发明利用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷，能够抑制界面反应的发生，保证了接头的透光性。
(2)本发明所制备的双层玻璃焊料的热膨胀系数和折射系数介于蓝宝石和尖晶石之间，且玻璃焊料Ⅰ热膨胀系数和折射系数均大于玻璃焊料Ⅱ的热膨胀系数和折射系数，从而使接头热膨胀系数和折射系数均呈梯度过渡，进一步改善了接头的力学性能和光学性能。
(3)本发明获得的接头弯曲强度大于200MPa，接头在1000nm波长下的直线透过率大于85％。
附图说明
图1为实施例1中蓝宝石/尖晶石接头的制备过程示意图；其中：(a)用于力学性能测试接头，(b)用于光学性能测试接头。
图2为实施例1所制备的蓝宝石/尖晶石接头的微观结构照片。
图3为对比例1所制备的蓝宝石/尖晶石接头的微观结构照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例中使用两种玻璃焊料熔化后与异种透明陶瓷连接得到蓝宝石/玻璃焊料Ⅰ/玻璃焊料Ⅱ/尖晶石接头，本实施例实施过程参考图1，具体包括以下步骤：
(1)材料准备：准备尺寸为3×4×18mm的两种陶瓷用于力学性能测试，准备尺寸为8×8×1.5mm的两种陶瓷用于透光度测试，对待连接的尖晶石陶瓷和蓝宝石陶瓷以丙酮为介质进行超声清洗，去除油污，超声时间10min，然后吹干备用。
(2)玻璃焊料制备：按照如下重量组成称量各氧化物原料。玻璃焊料Ⅰ组成(wt.％)：La2O3：55％，SiO2：20％，B2O3：15％，Nb2O5：7％，Ta2O5：3％；玻璃焊料Ⅱ组成(wt.％)；在玻璃焊料Ⅰ组成的基础上添加MgO，MgO添加量为玻璃焊料Ⅰ重量的5％。将称量好的各氧化物原料粉体放入球磨罐中，以酒精或去离子水为球磨介质，ZrO2为磨球进行球磨，球磨转速为450转/min，球磨时间为2h；球磨完成后对混合粉体进行烘干，烘干后的物料倒入铂金坩埚或刚玉坩埚中，并放入空气气氛的马弗炉中加热至1550℃，保温2h后将所得玻璃熔体迅速倒入去离子水中，进而获得玻璃碎块；将玻璃碎块放入玛瑙球磨罐中，以玛瑙为磨球进行球磨，球磨转速为450转/min，球磨时间为2h。球磨完成后对所得玻璃碎块和混合粉体进行筛分，获得玻璃碎块；将混合粉体进行烘干，获得玻璃粉体。
(3)第一步连接：将经步骤(2)得到的玻璃粉体制成浆料，向玻璃粉体中分别加入占玻璃粉体重量百分比为5％的无水乙醇和3％的乙基纤维素，然后用玻璃棒快速搅拌使其混合均匀，得到所述浆料。将玻璃浆料Ⅰ涂覆在蓝宝石陶瓷表面，将玻璃浆料Ⅱ涂覆在尖晶石陶瓷表面，然后放入空气气氛的马弗炉中进行加热，以20℃/min升温至1350℃，保温30min，保温结束后直接将样品从炉中取出，在空气中冷却。
(4)表面处理：采用研磨液(将直径为7-14μm的刚玉粉末加入水中获得)对蓝宝石和尖晶石表面的玻璃层进行磨平，采用抛光液(将直径为0.65μm的氧化铈粉末加入水中获得)对蓝宝石和尖晶石表面的玻璃层进行抛光。磨平抛光过程中，控制透明陶瓷表面玻璃层厚度在35μm。
(5)第二步连接：按照“蓝宝石/玻璃层Ⅰ/玻璃层Ⅱ/尖晶石”的顺序进行装配，同时采用放置重物的方式对接头施加2KPa的压力。样品装配好后放入空气气氛的马弗炉中，以10℃/min升温至850℃，保温30min后，随炉冷却至室温。
图3为实施例1所制备的蓝宝石/尖晶石接头的微观结构照片。从图中可以看出，整个接头没有气孔、裂纹等缺陷。玻璃焊料和陶瓷母材界面结合良好，且没有界面反应产品生成。另外，玻璃焊料Ⅰ和玻璃焊料Ⅱ之间同样结合良好且能清晰分辨。尖晶石折射系数为1.71，蓝宝石折射系数为1.77，实施例1中获得的玻璃焊料Ⅰ的折射系数为1.754，玻璃焊料Ⅱ的折射系数为1.731。两种玻璃焊料的折射系数恰好位于两种陶瓷母材的折射系数之间，使得接头的折射系数能够实现梯度过渡，保证了接头的透光性。实施例1获得的接头弯曲强度为221MPa，接头在1000nm波长下的直线透过率为85.5％。
实施例2
与实施例1不同之处在于：步骤(2)中玻璃焊料Ⅰ按重量百分比的组成为：La2O3：55％，SiO2：20％，B2O3：15％，Nb2O5：7％，Ta2O5：8％，其他步骤均与实施例1相同。实施例2中玻璃焊料Ⅰ的折射系数为1.763，实施例2获得接头的弯曲强度为209MPa，接头在1000nm波长下透过率为85.4％。
实施例3
与实施例1不同之处在于：步骤(2)中，玻璃焊料Ⅱ在玻璃焊料Ⅰ组成的基础上添加MgO，其重量百分比为MgO：8％。其他步骤均与实施例1相同。实施例3中玻璃焊料Ⅱ的折射系数为1.726，实施例3获得的接头的弯曲强度为213MPa，接头在1000nm波长下透过率为85.3％。
对比例1
本对比例采用玻璃焊料1直接连接蓝宝石陶瓷和尖晶石陶瓷，具体制备步骤如下：
(1)材料准备：准备尺寸为8×8×1.5mm的蓝宝石陶瓷和尖晶石陶瓷用于透光度测试，对尖晶石陶瓷和蓝宝石陶瓷以丙酮为介质进行超声清洗，去除油污，超声时间10min，然后吹干备用。
(2)玻璃焊料制备：玻璃焊料Ⅰ按重量百分比的组成为：La2O3：55％，SiO2：20％，B2O3：15％，Nb2O5：7％，Ta2O5：3％。将称量好的氧化物原料粉体放入球磨罐中，以酒精或去离子水为球磨介质，ZrO2为磨球进行球磨，球磨转速为450转/min，球磨时间为2h；球磨完成后对混合粉体进行烘干，烘干后的物料倒入铂金坩埚或刚玉坩埚中，并放入空气气氛的马弗炉中加热至1550℃，保温2h后将所得玻璃熔体迅速倒入去离子水中，进而获得玻璃碎块；将玻璃碎块放入玛瑙球磨罐中，以玛瑙为磨球进行球磨，球磨转速为450转/min，球磨时间为2h。球磨完成后对所得玻璃碎块和混合粉体进行筛分，获得玻璃碎块；将混合粉体进行烘干，获得玻璃粉体。
(3)接头连接：将经步骤(2)得到的玻璃粉体制成浆料，向玻璃粉体中分别加入占玻璃粉体重量百分比为5％的无水乙醇和3％的乙基纤维素，然后用玻璃棒快速搅拌使其混合均匀，得到玻璃浆料Ⅰ。将玻璃浆料Ⅰ涂覆在蓝宝石陶瓷表面，然后按照“蓝宝石/玻璃焊料Ⅰ/尖晶石”的顺序进行装配。样品装配好后放入空气气氛的马弗炉中进行加热，以20℃/min升温至1350℃，保温30min，为抑制玻璃晶化，保温结束后直接将样品从炉中取出，在空气中冷却。
图3为对比例1所制备的蓝宝石/尖晶石接头的微观结构照片。从图中可以看出，两侧界面处均有反应层形成，导致对比例1在波长为1000nm处的直线透过率仅有35.2％。
对比例2
步骤(4)第二步连接过程中，在马弗炉中以10℃/min升温至830℃。其他步骤均与实施例1相同。对比例2获得的接头弯曲强度为26MPa，接头在1000nm波长下透过率为76.4％。由于连接温度低，玻璃焊料层之间相互扩散不充分，焊缝中有孔洞产生，导致接头强度显著降低。
对比例3
步骤(4)第二步连接过程中，在马弗炉中以10℃/min升温至970℃。其他步骤均与实施例1相同。对比例3获得的接头弯曲强度为214MPa，接头在1000nm波长下透过率为21.7％。连接温度升高，玻璃焊料层发生晶化，导致接头透过率降低。
以上各实施例和对比例的接头强度及直线透过率见表1。
表1实施例和对比例的接头强度及在1000nm处的直线透过率
Claims (6)
1.一种采用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法，其特征在于：该方法利用玻璃焊料Ⅰ和玻璃焊料Ⅱ分步连接异种陶瓷，制得陶瓷接头；
所述玻璃焊料Ⅰ按照重量百分比计的组成为：La2O3：50-58％，SiO2：18-25％，B2O3：12-18％，Nb2O5：4-8％，Ta2O5：2-8％；所述玻璃焊料Ⅱ的组成是在玻璃焊料Ⅰ成分的基础上添加MgO，添加MgO的量为玻璃焊料Ⅰ重量的4-8％；
所述采用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法具体包括以下步骤：
(1)材料准备：对尖晶石陶瓷和蓝宝石陶瓷以丙酮为介质进行超声清洗，去除油污，超声时间5-20min，然后吹干备用；
(2)玻璃焊料制备：按照玻璃焊料Ⅰ和玻璃焊料Ⅱ的化学成分各自称量氧化物原料，均匀混合后采用熔融-水淬法制备得到玻璃焊料Ⅰ粉体和玻璃焊料Ⅱ粉体；
(3)第一步连接：将玻璃焊料Ⅰ粉体和玻璃焊料Ⅱ粉体分别制成玻璃浆料Ⅰ和玻璃焊料Ⅱ，将玻璃浆料Ⅰ涂覆在蓝宝石陶瓷表面，将玻璃浆料Ⅱ涂覆在尖晶石陶瓷表面，然后放入空气气氛的马弗炉中进行加热和保温处理；保温结束后，快冷至室温；在蓝宝石陶瓷和尖晶石陶瓷表面分别得到玻璃层Ⅰ和玻璃层Ⅱ；
(4)表面处理：分别将蓝宝石和尖晶石陶瓷表面的玻璃层Ⅰ和玻璃层Ⅱ进行磨平，抛光；
(5)第二步连接：按照蓝宝石、玻璃层Ⅰ、玻璃层Ⅱ、尖晶石的顺序进行装配，同时采用放置重物的方式对接头施加一定的压力；将装配好并施加压力的样品放入空气气氛的马弗炉中进行加热和保温处理，加热和保温过程为：以5-15℃/min升温速度升温至850-950℃，保温30-60min；保温结束后，随炉冷却至室温，获得所述蓝宝石/玻璃焊料Ⅰ/玻璃焊料Ⅱ/尖晶石接头，实现了异种陶瓷之间的双层玻璃焊料连接。
2.根据权利要求1所述的采用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述熔融-水淬法过程为：分别将称量好的用于制备玻璃焊料Ⅰ或玻璃焊料Ⅱ的氧化物原料粉体放入球磨罐中，以酒精或去离子水为球磨介质，ZrO2为磨球进行球磨，球磨转速为400-500转/min，球磨时间为2-5h；球磨完成后对所得混合粉体进行烘干，烘干后的物料倒入铂金坩埚或刚玉坩埚中，并放入空气气氛的马弗炉中加热至1500-1600℃，保温1-3h后将所得玻璃熔体迅速倒入去离子水中，进而获得玻璃碎块；将玻璃碎块放入玛瑙球磨罐中，以玛瑙为磨球进行球磨，球磨转速为400-500转/min，球磨时间为2-5h；球磨完成后所得玻璃碎块和玻璃粉体的混合物，进行筛分分离出玻璃碎块后，将筛分后剩余的玻璃粉体进行烘干，即得到玻璃焊料Ⅰ粉体和玻璃焊料Ⅱ粉体。
3.根据权利要求1所述的采用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法，其特征在于：步骤(3)中，将玻璃焊料Ⅰ粉体和玻璃焊料Ⅱ粉体制成浆料的过程为：分别向玻璃焊料Ⅰ粉体或玻璃焊料Ⅱ粉体中加入占玻璃粉体重量3-6％的无水乙醇和3-5％的乙基纤维素，然后用玻璃棒快速搅拌使其混合均匀，得到玻璃浆料Ⅰ和玻璃浆料Ⅱ。
4.根据权利要求1所述的采用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法，其特征在于：步骤(3)中，加热和保温过程为：以10-20℃/min升温至1350-1450℃，保温10-30min；为抑制玻璃晶化，快冷过程要求冷却速度高于40℃/min，所述快冷过程为向马弗炉中通入惰性气体或直接把样品从炉中取出，在空气中冷却。
5.根据权利要求1所述的采用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法，其特征在于：步骤(4)中，采用研磨液进行磨平，所述研磨液是将直径为7-14μm的刚玉粉末加入水中获得；采用抛光液进行抛光，所述抛光液是将直径为0.65-0.95μm的氧化铈粉末加入水中获得；磨平和抛光过程中，控制透明陶瓷表面玻璃层厚度在20-50μm。
6.根据权利要求1所述的采用双层玻璃焊料连接透明尖晶石和透明蓝宝石陶瓷的方法，其特征在于：步骤(5)中，对焊接接头施加的压力为0.5-3KPa。
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