[发明专利]高能焊接组合物和焊接方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及小金属粒子的熔点降低。更具体地，本发明涉及 焊接组合物，其具有熔点降低的高能金属粒子。

背景技术

从二十世纪五十年代起，当注意到这些极小的金属粒子具有比大 块材料更低的熔点时，开始对纳米级金属粒子的熔点降低现象进行了 研究。这是由于随着纳米结构尺寸的降低，所述表面的重要作用随之 升高。随着所述尺寸的降低，与内部相对比，占据所述表面或界面位 的原子比例增大。这些界面原子比本体原子(bulk atom)具有更高的 能量，这促进了所述纳米粒子的熔化。然而，直至今日并不完全清楚 这种机理。最初，利用x射线衍射(XRD)确定是否这些非常小的固 体粒子从有序相变为无序相，后来通过透射电子显微镜(TEM)监测 晶体结构的损失。再近来，采用其他实验方法例如量热法测量作为温 度函数的热容量和熔化潜热。已经开发了称为纳米量热法的新的量热 技术，其中所述纳米量热法测量热的纳焦耳(nano-Joules)。2002年 Illinois大学的Leslie Allen博士研究出一种熔点与粒度关系的简单表达 式：

Tm(r)＝156.6—(220/r)

其中Tm(r)是以摄氏度表示的熔化温度，r是以纳米表示的粒子半 径。观察所述等式表明，仅在所述粒子半径接近5～10纳米的范围时， 发生明显的熔点下降，并且当粒度直径超出50纳米时，没有出现明显 的熔点下降。此外，所有的现有技术研究均关注的是纯的金属，而非 金属混合物或合金。研究迄今为止，存在对于粒度范围大于1～50纳 米的金属和金属合金粒子熔点进行降低的需要。

附图简要说明

本发明认为具有新颖性的特征在随附的权利要求中说明。然而， 可通过参考本发明以下的详细说明而最好地与本发明的目的和优点一 起理解本发明自身，其既作为操作的组织也作为操作的方法，所述本 发明的详细说明结合以下附图描述了本发明特定示例性实施方式，其 中：

图1是描述根据本发明特定实施方式的铁粒子粒度分布的柱状图。

图2是根据本发明特定实施方式的锡高能粒子的差示扫描量热法 图。

图3是根据本发明特定实施方式与小尺寸高能粒子混合的本体粒 子的示意图。

具体实施方式

尽管本发明实施方式可以有许多不同的形式，在图中所示和本文 中将详细描述的具体实施方式，应理解为本发明的公开认为是本发明 原理的例子而并非意欲将本发明限于所示和描述的具体实施方式。在 下面的说明中，类似的参考号用于描述所述图的若干视图的相同、类 似或相应的部件。用于将金属结合到一起的低温、高能焊接组合物， 其含有助熔剂和悬浮在所述助熔剂内的高能金属粒子，以使得所述高 能金属粒子的熔点降低至比常规本体金属的熔化温度低至少3摄氏度。 通过使所述高能金属粒子与一种或多种金属表面接触并在助熔剂的存 在下加热所述高能金属粒子以熔化所述高能金属粒子并将它们熔合到 所述金属表面而形成焊缝。

传统意义上将固体的熔点定义为当所述材料熔化时，形成的固体 蒸汽压力与液体蒸汽压力相同时的温度。之前许多研究者已经利用锡、 金和铟的纳米级粒子研究了熔点和粒度之间的关系。所有这些研究关 注的均是通过真空蒸发产生的直径小于50纳米的材料，且大多数文献 指出，当粒度超出该水平时所述熔点的显著变化停止。尽管我们对该 粒度范围感兴趣，我们在这里引入普遍更大的粒度范围以使这种现象 的应用更实用。应注意的是，这些较大的粒子不是通过常规用于制备 用于焊膏的焊料的方法产生的。我们的工作表明，在直径大于50纳米 的固体中表现出了熔点抑制，所述固体具有比金属或金属合金的热力 学最稳定的体相更高的能量。我们将“高能粒子”定义为在相等的温 度和压力下，具有比热力学能量最低的体相或多相更大的蒸汽压力的 那些粒子。“本体”理解为是指归于单一结合个体的基本足够量的材 料，以使得无论特定的外部影响(例如，置于张力或压力或其他机械 作用下)或诱因(例如，置于电场或磁场)，所述材料可呈现可获得 的最低热力学状态，但对于保持获得的最低热力学状态无进一步的要 求。