[发明专利]一种采用高能束毛化提高金属表面润湿性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面处理方法，尤其是涉及一种采用高能束毛化技术来提高金属表面润湿性的方法，属于金属表面处理技术领域。

背景技术

提高钎料在母材表面润湿铺展性的方法很多，其中母材表面处理的方法有电镀、沉积、离子注入、表面合金化等，这些方法大多从改变母材表面化学成分/组成着手，继而通过改变钎料与母材之间的吸附、扩散、反应、溶解等复杂的物质传输过程来改善润湿铺展性。但通过改变母材表面粗糙度来促进钎料在母材表面的润湿铺展的研究较少，美国Sandia国家实验室的Yost等人发现，随着电镀铜层变厚，镀层表面出现球状突起，表面粗糙度变大，液态钎料沿着球之间的“谷底”铺展，显著地促进了润湿铺展。新竹清华大学的Chen等人用型号100#到1200#的7种砂纸打磨Cu表面获得了不同的表面粗糙度，研究了Sn-Bi钎料在这些表面的润湿铺展情况，结果表明，基底变粗糙后，润湿铺展性反而变差。另一方面，目前的研究表明，适当的母材表面粗糙度有利于提高钎焊接头强度。Stromswold等用不同砂纸和抛光剂在Cu表面获得了从0.01μm到2.0μm的9种粗糙度，获得的Cu-Sn-Ag钎焊接头的断裂韧性随着粗糙度的增加显著增加。刘玉章等用线切割加工C/SiC复合材料表面时，发现SiC的烧蚀性比C纤维严重，切割后形成了C纤维突出而SiC凹陷的表面结构，用这种表面获得的钎焊接头强度比常规手段(磨、抛)获得的接头强度高出25-30％。

玻璃-金属密封(GTMS)结构近年来广泛地应用于电气工程和太阳能领域。例如：复杂的微型电子电气零部件、固体氧化物燃料电池(SOFC)、太阳能发电系统的真空集热管等。然而，由于两种材料的化学键不同，很难实现玻璃与金属的键合；此外，由于玻璃与金属的热膨胀系数有很大差异，在加热过程中容易产生热应力。可伐合金(Fe-Ni-Co，ASTM F-15)和硼硅玻璃有相似的热膨胀性能，已经广泛地用于分立式双极管、集成电路和微电子封装中玻璃-金属的匹配封接。

针对玻璃与金属的连接问题，利用高能束对金属表面进行毛化处理，在金属表面构建微米或纳米粗糙结构，形成规则排列的有不同粗糙度的表面，以促进液-固界面的润湿接触，提高玻璃与金属的连接强度。

发明内容

针对玻璃与金属润湿性较差，连接强度低的缺陷，本发明提出了一种对金属表面进行高能束毛化，提高玻璃在金属表面润湿性的方法，通过增加金属表面的粗糙度，增加玻璃与金属的有效接触面积，增强玻璃与金属的机械-化学结合，提高玻璃-金属的结合强度。

本发明可以采用如下技术方案实现：

一种采用高能束毛化方法提高硼硅玻璃在可伐合金表面润湿性的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将可伐合金板用金相砂纸平磨后，用丙酮和酒精溶液超声清洗，吹干后置于干燥器中；

(2)高能束毛化：采用电子束或激光束对步骤(1)所得可伐合金进行毛化，得到不同尺寸和分布的毛化形貌；

(3)在大气环境下，用电阻炉对可伐合金试样进行氧化，得到成分为Fe₃O₄和Fe₂O₃的氧化膜；

(4)将硼硅玻璃加热到软化温度以上，使其在可伐合金表面润湿铺展，测量硼硅玻璃在可伐合金表面的润湿角。

所述步骤(1)中的可伐合金板切成20mm×20mm×2.2mm的试样，依次用200#至1200#的金相砂纸平磨，再用丙酮和酒精溶液进行超声清洗。

所述步骤(2)中的电子束毛化过程在真空条件下完成。

所述步骤(2)中所用的电子束毛化技术，设计螺旋线形或六边形扫描波形；

所述步骤(2)中的电子束毛化过程是借助于ZD150-MHCV3M电子束扫描控制系统完成，这种技术是利用电磁场对电子束进行复杂扫描控制而在金属材料表面产生特殊成型效果，能精确控制毛化形貌的尺寸及分布情况。

所述步骤(2)中的电子束毛化过程设置的工艺参数为：加速电压150KV，束流2mA，扫描频率1000Hz。

所述步骤(2)中的激光毛化技术采用PLY-20M SCANLAB 10光纤激光器或TC-22A型掺钇光纤飞秒激光器对可伐合金进行了毛化处理。

所述的PLY-20M SCANLAB 10光纤激光器毛化过程是在大气环境下进行。