《【2017年整理】Si3N4-Si3N4陶瓷连接的研究进展(1)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】Si3N4-Si3N4陶瓷连接的研究进展(1)（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、硅 酸 盐 通 报 1997 年 第 2 期 41 Si3 N4/ Si3 N4 陶 瓷 连 接 的 研 究 进 展周 飞 陈 静 罗启富 李志章(浙 江 大 学 杭 州 310027) (江苏理工大学 ) (浙 江 大 学 )摘 要 :本 文 综 述 了 Si3 N4 / Si3 N4 陶瓷连接的研究现状 ,论 述 不 同 连 接 工 艺 对 接 头 强 度 的 影 响 。关键词 : Si3 N4 ,连 接 ,弯 曲 强 度1. 引言氮 化 硅 ( Si3 N4 ) 陶 瓷 具 有 一 系 列 优 异 的 物 理 、 化 学 及 力 学 性 能 ,是 发 展 十 分 迅 速 的 一 类 新
2、型 高 温 结 构 材 料 。 然 而 ,其 固 有 的 脆 性 导 致 极 小 的 临 界 裂 纹 ,增 大 了 陶 瓷 构 件 在 制 作加工中的难度 ,妨 碍 了 其 在 工 程 结 构 中 的 应 用 。 为 了 扩 大 陶 瓷 的 应 用 范 围 ,必 须 解 决 陶 瓷 的 接 合 问 题 。陶 瓷 的 接 合 , 特 别 是 陶 瓷 与 金 属 的 接 合 1 ,已 成 为 近 几 十 年 研 究 的 对 象 。然而 , 随 着 氮 化 硅 陶 瓷 作 为 热 机 高 温 结 构 材 料 的 计 划 日 趋 接 近 , Si3 N4/ Si3 N4 陶 瓷 的 连 接 研 究 ,
3、已 成 为 人 们 关 注 的 方 向 。 有 效 的 陶 瓷 连 接 ,不 仅 有 利 于 制 备 形 状 复 杂 的 各 种 构 件 ,而 且 还 能 改 善 陶 瓷 的 可 靠 性 ,将 对 陶 瓷 的 精 密 制 造 ,产 生 深 远 的 影 响 。在 文 献 2 中 ,我 们 论 述 了 Si3 N4/ 金 属 连 接的研究现状 。 现 在 ,本 文 主 要 综 述 Si3 N4/ Si3 N4 陶 瓷 连 接 的 研 究 现 状 , 论 述 不 同 连 接 工 艺 对 接 头 强 度 的 影 响 。2. 活性钎焊活 性 钎 焊 是 利 用 钎 料 中 所 含 有 的 少 量 活 性
4、 元 素 (如 Ti 、 Zr) ,与 陶 瓷 反 应 ,形 成 被 钎 料 浸 润 的 反 应 层 ,实 现 陶 瓷 / 陶 瓷 (金 属 ) 的 化 学 接 合 。 氮 化 硅 陶 瓷 是 一 种 共 价 键 化 合 物 , 不 同 于 离 子 键 组 成 的 氧 化 物 陶 瓷 ,其 连 接 研 究 在 某 种 程 度 上 ,远 不 及 氧 化 物 陶 瓷 的 深 入 。八 十 年 代 中 期 , Naka 等 3 用 非 晶 态 的 Cu66 Ti34 、 Cu50 Ti50和 Cu43 Ti57钎 料 ,在 1000 1300 ,真 空 度 为 5 10 - 5 乇 的 条 件 下
5、,进 行 Si3 N4/ Si3 N4 的 钎 焊 研 究 。结 果 表 明 : 在 1273 K 钎 焊 时 , Si3 N4/ Cu66 Ti34/ Si3 N4 的 接 头 强 度 低 于 Cu50 Ti50 、 Cu43 Ti57 钎 料 形 成 的 接 头 强 度 ;当 T 1273 K 时 ,Si3 N4/ Cu66 Ti34/ Si3 N4 的 接 头 强 度 高 于 Cu50 Ti50 、 Cu43 Ti57 钎 料 形 成 的 接 头 强 度 。 Si3 N4/ Cu50 Ti50/ Si3 N4 的 接 头 强 度 随 试 验 温 度 的 升 高 及 钎 焊 时 间 的 延
6、 长 而 下 降 。 Ti 与 Si3 N4 反 应 形 成 TiN 、 Ti5 Si3 。 其 中 , TiN 的 生 长 受 N 在 TiN 中 的 扩 散 速 率 控 制 。随 后 ,R. E. Loehman 等 4 研 究 了 Si3 N4/ Si3 N4 钎 焊 的 连 接 机 理 。 在 900 , Al 与 Si3 N4 中 的 烧 结 助 剂 SiO2 反 应 ,形 成 Al2O3 ; 而 Ag - Cu - Ti 与 Si3 N4 反 应 ,形 成 复 杂 结 构 的 反 应 层 ( 含 有 TiN 、 Ti5 Si3 和 TiSi 等 反 应 物 ) ,其 接 头 强 度
7、 高 于 Al 钎料的接头强度 ,并 随反应层厚度的增加而下降 (见 图 1) 。 Ning 等 5 在 研 究 Al 钎 焊 Si3 N4 陶 瓷 时 发 现 : Al / Si3 N4 的 界 面 上 不 存 在 Al2O3 ,而 是 非 晶 态 的 SiO2 - Al2O3 相 和 - Sialon 相 。 Al / AA - Si3 N4 含 烧 结 助 剂 的 界 面 反 应 层 厚 度 大 于 Al / A F - Si3 N4 无 烧 结 助 剂 的 界 面 反 应 层 厚 度 ,并 且 ,前 者 的 接 头 强 度 高 于 后 者 的 接 头 强 度 。 根 据 界 面 热 应
8、 力 分 析 可 知 : 反 应 层 越 厚 ,其 热 应 力 的 梯 度 变 小 , 导 致 接 头 强 度 上硅 酸 盐 通 报 1997 年 第 2 期 42 升 ,这 似 乎 与 Loehman 的 结 果 4 相 反 。 其 实 ,对 于 后 者 的 界 面 反 应 系 统 ,反 应 层 的 结 构 为 Si3 N4/ 50 TiN27 Ti2 Si18AgCu5/ Cu4 Ti +在 1800 、 3 GPa 、 1 小 时 的 条 件 下 接 合 。 测 定 其 界 面 附 近 的 维 氏 硬 度 与 温 度 的 关 系 ,发 现 直 到 1200 , 硬 度 才 有 少 许 下
9、 降 , 但 不 适 9Cu3 Ti2/ Cu - Ag 共 晶 。 当 反 应 层 较 厚 时 ,热 宜 于 投 入 生 产 。膨 胀 错 配 易 引 起 界 面 裂 纹 ,导 致 强 度 降 低 。 为 了 了 解 烧 结 助 剂 对 扩 散 连 接 的 影 响 , 10冼 爱 平 等 6 用 活 性 金 属 钎 料 Ag57 Cu38 S. Kanzaki 等 将 未 添 加 助 剂 的 Si3 N4 与 含Ti5 在 1103 - 1253 K 范 围 内 真 空 钎 焊 热 压 Si3 N4 陶 瓷 , 可 得 到 最 大 的 接 头 强 度 490M Pa ,并 且 ,钎 焊 强
10、度 与 Ti / Si3 N4 界面反 应 产 物 TiN 的 厚 度 有 关 。 用 Ag - Cu 、 Cu - Ni 和 Au - Ni - Pd 在 790 、 970 、 1130 钎 焊 沉 积 Ti 膜 的 Si3 N4 。 结 果 表 明 : 在 790 、 970 时 , Ti 膜 能 促 进 钎 料 的 铺 展 ,并 阻 止 合 金 与 Si3 N4 反 应 ; 在 1130 , Ti 开 始 熔 入 Au - Ni - Pd 溶 液 中 ,与 Si3 N4 反 应 ,形 成 牢 固 的 化 学 接 合 7 。在 上 面 , Ti / Si3 N4 界 面 反 应 产 物
11、几 乎 都 是 TiN 、 Ti5 Si3 ,可 以 描 述 成 Ti 在 Si3 N4 表 面 富 集 ,并 与 Si3 N4 反 应 ,即 :9 Ti + Si3 N4 = 4 TiN + Ti5 Si3 (1)而 M. Paulasto 和 J . K. Kivilahti 8 在 研 究 Ag - Cu - Ti / Si3 N4 界 面 反 应 层 的 相 结 构 后 指 出 :在 钎 焊 温 度 ,Ag - Cu - Ti 钎 料 被 分 成 富 银 少 钛 的 液 相 L 1 和 富 铜 钛 少 银 的 液 相 L 2 。 此 时 ,液 相 L 2 富 集 在 Si3 N4 表
12、面 ,并 与 之 反 应 ,形 成 斜 方 晶 系 Ti - Cu - Si - N 相 , 这 由 于 Ti 在 液 相 L 2 中 的 活 度 较 低 所 致 ; 对于 Ag - Ti 钎 料 , Ti 富 集 在 Si3 N4 表 面 并 显 示 较 高 的 活 度 ,其 反 应 产 物 为 TiN + Ti5 Si3 。3 . 扩散连接5mol %Y2O3 的 Si3 N4 烧 结 体 用 HIP 法 直 接加 压 结 合 。 结 果 表 明 : 在 1700 ,含 有 Y2O3 的 玻 璃 相 富 集 在 接 合 界 面 层 ,恶 化 接 头 的 高 温 强 度 ; 在 1600 以
13、 下 , Y2O3 不 产 生 富 集 , 而 向 未 添 加 助 剂 的 Si3 N4 一 侧 扩 散 200 m ; 在 1500 接 合 时 , 助 熔 剂 扩 散 被 控 制 在 30 m 范 围 内 ,产 生 有 效 的 连 接 ,其 弯 曲 强 度 为 430M Pa 。M. Nakamura 等 11 利 用 热 压 技 术 ,在 氮 气 中 , 进 行 Si3 N4/ Si3 N4 的 扩 散 连 接 。 结 果表 明 : 热 压 Si3 N4 的 接 头 强 度 随 接 合 温 度 的 上 升 、 压 强 的 增 加 和 保 温 时 间 的 延 长 而 增 大 , 但 随 表
14、 面 粗 糙 度 的 增 加 而 减 小 。 强 度 的 增 加 归 功 于 接 合 表 面 的 蠕 变 ,增 大 了 真 实 接 触 面 积 。 其 最 高 室 温 弯 曲 强 度 为 567M Pa 。3. 2 有 中 间 层 的 扩 散 连 接3. 2. 1 无 机 非 金 属 材 料在 没 有 添 加 助 剂 的 Si3 N4 的 烧 结 体 之 间 介 入 含 4wt % Y2O3 的 Si3 N4 粉 末 , 以 1800 、 3 GPa 、 1 小 时 的 条 件 而 接 合 。 接 合 部 位 的 显 微 硬 度 随 温 度 的 上 升 而 逐 渐 下 降 ,这 可 能 是 界
15、 面 玻 璃 相 软 化 所 致 9 。 以 热 膨 胀 系 数 处 于 Si3 N4 与 超 合 金 中 间 的 部 分 稳 定 的 ZrO2 为 中 间 层 ,在 1400 1500 、 1. 5M Pa 、40 60min 的 真 空 条 件 下 ,进 行 Si3 N4/ ZrO2/ Si3 N4 的 扩 散 连 接 , 可 得 接 合 强 度 175M Pa 。与 金 属 / 陶 瓷 扩 散 连 接 的 研 究 相 比 1 , 如 果 Si3 N4 的 纯 度 较 低 ,其 表 面 易 被 氧 化 ,使陶 瓷 之 间 扩 散 连 接 的 研 究 较 少 。 对 于 Si3 N4/Si3 N4 扩 散 连 接 的 研 究 ,根 据 中 间 层 的 种 类 ,可 分 成 以 下 几 种 :3. 1 无 中 间 层 的 扩 散 连 接在 Si3 N4 之 间 的 直 接 加 压 接 合 中 , 由 于 超高压压缩作用 ,将 未 添 加 烧 结 助 剂 的 母 材界 面 形 成 ZrN ,降 低 了 连 接 强 度 12 。 使 用 高 岭 土 与 Na F 或
