[发明专利]一种陶瓷/金属梯度结构高温封装材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种陶瓷/金属梯度结构高温封装材料，其中陶瓷材料包括氮化物(AlN、Si₃N₄、BN等)、碳化物(SiC、ZrC、TiC等)、氧化物(Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂等)中的一种或多种，金属材料包括高熔点金属W、Mo、Ta、Cr、Nb中的一种。该材料的制备方法是：按照设计的梯度组分、梯度层数及每层中各组分含量将所需的金属、陶瓷粉末充分混合，得到所需的各梯度层原料，堆叠所述各层并压制成形，使陶瓷粉体质量分数沿轴向对称从内至外在100％至0％之间呈连续梯度变化，利用粉末冶金结合热压共烧技术，最终获得氦漏率＜1×10^‑11Pa·m³/s、抗弯强度＞200Mpa、电阻率＞6×10⁹Ω·cm的陶瓷/金属梯度结构高温封装材料。

技术领域

本发明属于密封材料领域，特别是涉及一种陶瓷/金属梯度结构高温封装材料及其制备方法。

技术背景

密封技术被广泛应用于航空航天、核能发电等高新技术领域，以及石油、化工等基础性产业领域，许多机器设备的研发就取决于密封技术，它直接决定了机器设备运行的安全性、可靠性以及耐久性。目前，我国的密封技术水平远远满足不了生产发展的需要，某些关键场合的泄露问题还没有得到彻底解决，所以密封技术有待进一步深入研究。文献表明：目前各行业高温密封技术主要包括机械零件之间密封结构设计，有机/无机材料垫圈、密封胶，金属/陶瓷焊接密封，柔性石墨技术等。

高温密封技术对高温电池至关重要，良好的密封技术可以保证电池储能质量，避免空气、水对电池关键活性材料的消耗，延长电池使用寿命，降低电池运行成本。针对高温储能电池的封装，欧洲、美国、亚洲等国家都开展了相关研究。如美国的威斯康辛州大学对钠硫电池的玻璃密封接头进行应力分析，通过有限元分析，提出热膨胀系数为7.8×10^-6K^-1时，残余应力最低；欧洲的意大利都灵理工大学开发了硅基玻璃陶瓷密封材料，在300℃工作连续250小时没有发现明显的化学反应和腐蚀失效；俄罗斯科学院乌拉尔高温电化学研究所采用玻璃陶瓷密封固体氧化物燃料电池，使用的玻璃陶瓷材料热膨胀系数和YSZ相当，在温度800～900℃经过200次冷热循环后获得电池全密封结构。

目前，对于高温电池密封材料的研究主要集中在玻璃陶瓷体系密封材料以及金属密封材料，但玻璃陶瓷的脆性大，在转变温度以下时很容易造成开裂；玻璃和玻璃陶瓷都包含有碱金属元素，而碱金属元素会与电池中其它组件发生反应，造成性能下降；常规金属材料在高温电池工作环境下则容易被氧化或腐蚀，同时为避免金属材料直接连通金属连接体，在装配高温电池时，必须与绝缘材料配合使用，增加了密封难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对超高温，强腐蚀等极端复杂工作环境，提供一种具有较强高温稳定性、耐腐蚀性以及绝缘密封性的陶瓷/金属梯度结构高温封装材料及其制备方法。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案：

本发明提供的陶瓷/金属梯度结构高温封装材料，其原料包括氮化物、碳化物、氧化物中的一种或多种陶瓷以及高熔点金属W、Mo、Ta、Cr、Nb中的一种金属，原料粒径尺度为微米级。该材料由以下方法制成的：按照设计的梯度组分、梯度层数及每层中各组分含量将所需的金属、陶瓷粉末充分混合，得到所需的各梯度层原料，堆叠所述各层并压制成形，使陶瓷粉体质量分数沿轴向对称从内至外在100％至0％之间呈连续梯度变化，利用粉末冶金结合热压共烧技术，控制烧结温度为1300～1750℃，升温速度为1～200℃/min，烧结压力为0～50MPa，最终得到性能优异的陶瓷/金属梯度结构高温封装材料。

所述的氮化物采用AlN、Si₃N₄或BN。

所述的碳化物采用SiC、ZrC、TiC中的一种。