[发明专利]一种大气环境下快速原位生成同质相氧化铝陶瓷的连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大气环境下快速原位生成同质或近似同质相氧化铝陶瓷的连接方法，尤其适用于需要长时间真空耐压密封、较高工作温度、高强度及高耐腐蚀性能的氧化铝陶瓷-氧化铝陶瓷及氧化铝陶瓷-金属（铝、铜、不锈钢及其各自的合金）结构间的快捷、高效及高强的连接。

背景技术

近年来，陶瓷因其具有高硬度、高强度、低密度、低热膨胀系数以及良好的热导率、抗化学腐蚀性，正被广泛用于生产生活的各个方面。例如，在生物医疗领域，基于其良好的耐高温及耐化学腐蚀性能，陶瓷主要被用在牙科、生物传感器以及嵌入式微系统等方面；在切削加工领域，基于其高硬度，陶瓷被广泛用于切削刀具的生产；在核能领域，陶瓷材料也被广泛的使用，如氮化硅陶瓷被广泛用在国际热核试验反应装置（ITER）工程中；在新能源领域，陶瓷也被大量的应用，如固态氧化燃料电池（SOFCs）大量的使用了氧化锆陶瓷；同时陶瓷也在国防装备和航空航天领域中发挥至关重要的作用。除了陶瓷在上述领域中发挥不可替换的作用外，消费电子工业也是陶瓷的主要应用领域，其被广泛的用做功率器件模组的基底，以满足大功率器件封装散热所带来的强烈需求。

尽管氧化铝陶瓷作为一种迄今使用规模最大及范围最广的陶瓷材料被广泛的使用在社会生产的各个方面。但氧化铝陶瓷的可加工及成型能力差，因此氧化铝陶瓷材料必须与其他材料一起加工成新的结构以满足上述特殊的需求，而这些复合结构主要是陶瓷-陶瓷和陶瓷-金属间的连接。但是陶瓷材料的连接性能或者接头的可靠性受多方面因素影响：①被连接材料间的化学反应活性；②材料原子结构间的晶体学关系；③陶瓷与金属间热膨胀系数的失配性；④界面间的机械粘附能力；⑤界面的处理情况（粗糙度、表面污染）；⑥接头的环境相容性。如氧化铝陶瓷与金属铝的连接，两者的熔点相差极大（1000℃以上），同时热导率及线膨胀系数也是相差悬殊，因此随着技术的发展以及材料应用领域的扩大，对连接接头的性能提出了更多、更高的要求，这就使连接的工艺条件更加的苛刻；同时随着全球能源的紧缺以及对环保关注度的提高，开发出能同时有效克服苛刻的连接工艺条件与节能环保这两者之间矛盾的新连接方法是今后的必然发展趋势。

从陶瓷连接发展历程来讲，氧化铝陶瓷连接的方法大致可分为三类：机械连接、固相连接及钎焊。机械连接主要包括铰接和栓接两种，但该方法获得的接头强度及密封性较差，同时加工复杂，因此不被广泛的使用；固相连接包括摩擦焊、爆炸焊、超声焊及扩散焊。摩擦焊、爆炸焊、扩散焊因其工艺设备复杂和生产周期长等缺点，不能很好的满足绿色环保及节能减排的现代化生产发展要求。超声波连接因其能够用简单的设备在短时间内实现材料的连接，此外并不需要钎剂或者粘结剂等显著优点而受到愈来愈广泛的关注。但是传统的超声焊接存在明显缺陷，即机械冲击损伤大，同时被连接金属材料大多是相对软的材料（Al、Cu、Mg等）。

钎焊在氧化铝陶瓷连接领域主要可分为两类：一是直接钎焊（Mo-Mn法），该方法的操作工艺复杂，需要经过氧化铝陶瓷表面的预金属化，而且其接头性能受工艺参数的控制精确度影响很大，同时该过程实现成本很高。二是活性钎焊，即采用添加活性元素（Zr、Ti、Cr等）的钎料直接实现接头的形成。尽管该方法能明显的降低接头形成温度以及简化连接工艺，但是该方法的不足之处是为了有效克服被连接材料间的物理性能差异，大部分接头的获得必须在长时间真空环境下完成。因此如何克服这些连接弊端是陶瓷应用领域的难点，更重要的是获得同质或近似同质相结构的接头是目前大规模生产应用亟需解决的关键问题。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种大气环境下快速原位生成同质或近似同质相氧化铝陶瓷的连接方法，本发明的连接方法尤其适用于需要长时间真空耐压密封、高强度及高耐腐蚀性能的氧化铝陶瓷-氧化铝陶瓷或氧化铝陶瓷-金属的连接，所述连接材料包括材质相同或不同的母材一1和母材二2，该连接方法包括以下步骤：

I、被连接材料进行的表面处理：对母材一1、母材二2进行打磨（机械方式），以保证表面洁净度(去除油污、附着物等)及粗糙度，中间层3采用超声清洗1～5分钟；

II、母材一（1）置于下层、母材二（2）置于上层及中间层（3）在中间组装成“三明治”叠层结构，构成被连接试样结构；

III、在母材二2上施加相对于所述连接界面的预压力；

IV、用加热装置对母材一1与母材二2的连接部位进行局部快速加热至设定温度700～900℃；