مع التقدم المستمر للسيراميك المتقدم ، وخاصة السيراميك الإلكتروني ، أصبحت العلاقة بين السيراميك والمعادن نقطة اهتمام محورية. ومع ذلك ، فإن الهياكل المجهرية المتميزة للأسطح السيرامية والمعادن تشكل تحديات للترابط المباشر. يفشل الجنود التقليديون في الأسطح الخزفية الرطبة بشكل كاف ، مما يمنع التصاق الفعال. لمعالجة هذا ، تم تطوير تقنيات المعادن السيراميك. تتضمن هذه الطرق إيداع فيلم معدني ملتصق بحزم على سطح السيراميك ، مما يتيح اللحام الناجح بين السيراميك والمعادن.
مبدأ المعادن السيراميك
يتضمن المعادن السيرامية سلسلة من التفاعلات الكيميائية والفيزيائية ، بما في ذلك التدفق البلاستيكي للمواد وإعادة ترتيب الجسيمات. أثناء التلبد ، تخضع المواد المختلفة في طبقة المعادن ، مثل الأكاسيد والأكاسيد غير المعدنية ، إلى التفاعلات الكيميائية والانتشار. مع زيادة درجة الحرارة ، تشكل هذه المواد مركبات وسيطة ، والتي تصل إلى نقطة انصهار مشتركة لإنشاء مرحلة سائلة. تخضع الطور الزجاجي السائل اللزج لتدفق البلاستيك ، وتُعاد ترتيب الجزيئات تحت حركة الشعيرات الدموية. تعمل الطاقة السطحية على الانتشار الذري أو الجزيئي ، مما يعزز نمو الحبوب وتقليل المسامية ، مما يحقق في نهاية المطاف تكثيف طبقة المعادن.
عملية تصنيف السيراميك المعدني
تركز هذه المناقشة على تقنيات المعادن لمكونات السيراميك المتقدمة ، باستثناء ركائز السيراميك.
طريقة الفضة المحترقة (تسلل الفضة)
تتضمن هذه الطريقة تسلل طبقة من الفضة المعدنية على سطح السيراميك. تتيح الموصلية الممتازة للفضة ومقاومة الأكسدة اللحام المباشر للمعادن بالطبقة الفضية. ومع ذلك ، فإن الفضة عرضة للانتشار في الوسط تحت درجات حرارة عالية ، والرطوبة ، والحقول الكهربائية DC ، مما يجعلها غير مناسبة للبيئات ذات متطلبات الأداء الكهربائية الصارمة.
تدفق العملية:
قبل المعالجة: يتم تنظيف السيراميك في الماء الصابون عند 70-80 درجة مئوية ، وشطف ، وتجفيفه عند 100-110 درجة مئوية. يمكن أيضًا استخدام التنظيف بالموجات فوق الصوتية.
تحضير عجينة الفضة: يتم خلط المواد الخام التي تحتوي على الفضة ، وتدفق ، وموثق في مطحنة كرة كوروندوم لمدة 70-90 ساعة لتحقيق التوحيد والهجة.
الطلاء: يتم تطبيق معجون الفضة يدويًا ، ميكانيكيًا ، عن طريق تراجع الطلاء أو الرش أو طباعة الشاشة. يمكن إضافة المذيبات مثل التربنتين لضبط اللزوجة.
التجفيف والتلبيخ: يتم تجفيف الطبقة الفضية عند 60 درجة مئوية لمنع التحجيم ، ثم التلبس في فرن كهربائي من نوع الصندوق أو فرن النفق.
طريقة مسحوق المعادن الملبد
تتضمن هذه التقنية تلبد مسحوق معدني على سطح السيراميك تحت جو تقليل درجة الحرارة العالية لتشكيل فيلم معدني.
الاعتبارات الرئيسية:
يجب أن تتجاوز نقطة انصهار المعدن المراد لحامها درجة حرارة المعدن بمقدار 200 درجة مئوية على الأقل.
يجب أن تتم مطابقة معاملات التمدد الحراري للمعادن والسيراميك.
اختيار مسحوق المعادن:
يتم استخدام المعادن الحرارية (على سبيل المثال ، W ، MO) كمسحوق أولي ، مع إضافة كميات صغيرة من المعادن ذات النقطة السفلية (على سبيل المثال ، Fe ، Mn ، Ti).
يتم اعتماد صيغة MO-MN على نطاق واسع بسبب قابليتها للتكيف القوية.
الفئات الفرعية:
طريقة MO-MN المضافة المنشط: المنشطات (على سبيل المثال ، مسحوق الخام ، مسحوق البورسلين) خفض درجة حرارة المعدن وتعزيز قوة الترابط.
المعادن ذات درجة حرارة منخفضة: بدائل الموليبدينوم وأكاسيد المنجنيز أو الأملاح (على سبيل المثال ، Moo₃ ، Mno₂) للمساحيق المعدنية ، مما يقلل من درجات حرارة المعادن التي تقل عن 1200 درجة مئوية. هذه الطريقة مريحة لطلاء الثقوب العميقة أو الصغيرة ولكنها تعاني من ارتفاع معدلات الهجرة في طبقة المعادن.
طريقة النحاس المعدنية النشطة
تم تطوير هذه التقنية في وقت لاحق من طريقة MO-MN ، وتتطلب خطوات أقل ، واستكمال ختم المعادن السيراميك في عملية تسخين واحدة. تتفاعل سبائك النحاس التي تحتوي على عناصر نشطة (على سبيل المثال ، TI ، ZR ، HF ، TA) مع al₂o₃ لتشكيل طبقة رد فعل معدني في الواجهة. على الرغم من أنها فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتكيف مع الإنتاج على نطاق واسع ، فإن مجموعة محدودة من مواد النحاس النشطة تقيد تطبيقها على إنتاج أكبر قطعة واحدة أو صغيرة.
طريقة لحام الأكسيد
تستخدم هذه الطريقة أكاسيد مختلطة (على سبيل المثال ، CAO ، MGO ، SRO ، BAO مع Sio₂ ، B₂o₃ ، al₂o₃) كذ اللحام لختم المعادن السيراميك. يتم إذابة الأكاسيد ، وتخفيفها ، والأرض في مسحوق ناعم. تُستخدم هذه التقنية بشكل شائع لختم السيراميك من الألومينا العالي أو الشفافة إلى المعادن مثل W و MO و TA و NB.
ختم الضغط
في درجة حرارة الغرفة ، يتم تطبيق الضغط الميكانيكي على السيراميك والمعادن الرابطة بإحكام. هذه الطريقة تعزز قوة الضغط العالية للسيراميك والتشوه المرن للمعادن. توجد زاوية مائلة صغيرة (7 ° - 10 °) على وجه الطرف الخارجي ، ويتم الضغط على حلقة السيراميك (أصغر قليلاً في القطر الداخلي من القطر الخارجي للمعادن) على المعدن. تتوسع الحلقة المعدنية بشكل مرن ، وتثبيتها بإحكام إلى حلقة السيراميك لتشكيل ختم ضغط مع ضغوط تصل إلى 600 ميجا باسكال.
التطبيقات: هذه العملية مناسبة لأجزاء الختم الكبيرة ذات الحجم المنخفض ، وعادة ما يكون الخزف عالي الأميوم. يجب أن يكون للمعادن المستخدمة قوة عالية ، مرونة ، معامل تمدد حراري مشابه للسيراميك ، ومقاومة التعب الجيدة. إن الطلاء المعدني الناعم (على سبيل المثال ، الفضة أو النحاس أو الذهب) على سطح الختم المعدني يسهل الانزلاق أثناء الختم ويضمن محكمة الإغلاق.
طريقة الثرثرة المعدن
يجري في نظام فراغ ، يتضمن التخلق عمليات التطفو على الثرثرة أو الرباطين أو الرباط أو التردد العالي. في اثنين من التنزه ، يتم ضخ النظام إلى فراغ عالي (10⁻⁵ PA) ، مملوءة بالأرجون (1-10⁻ PA) ، ويوضع الجزء السيراميك بالقرب من هدف التلاشي. يؤين الجهد العالي السلبي (1–7 كيلو فولت) الأرجون ، والأيونات الإيجابية قصف السطح المستهدف ، يتفوق على السيراميك لتشكيل فيلم معدني رقيق.
التكوين المستهدف: يتم تثبيت اثنين أو ثلاثة من المعادن المختلفة على رف قابل للتدوير. بعد الضعف للطبقة الأولى (على سبيل المثال ، التنغستن أو الموليبدينوم ، 50-500 نانومتر) ، يتم تدوير الإطار المستهدف لتفريخ طبقة ثانية (على سبيل المثال ، النحاس أو الفضة أو الذهب ، 1-5 ميكرون). باستخدام TI للطبقة الأولى ، حقق نتائج أفضل.
التطبيقات: تعتبر الضعف مثالية للسيراميك التي لا يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية (على سبيل المثال ، السيراميك الكهروضوئية) وتضمن التحكم الدقيق في الأبعاد بسبب طبقة المعادن الرقيقة.
التحديات الفنية للسيراميك المعدني
عدم تطابق التوسع الحراري: يمكن أن تؤدي الاختلافات في معاملات التمدد الحراري بين السيراميك والمعادن إلى الإجهاد أثناء التلبيد ، مما يؤدي إلى تكسير أو تدمير الطبقة.
التفاعلات الكيميائية البينية: تنتج التفاعلات في الواجهة المعدنية السيرامية أكاسيدًا ، وتغيير التركيب الكيميائي وهيكل الواجهة وأداء مهين.
تباين نقطة الانصهار: الفرق الكبير في نقاط الانصهار بين السيراميك والمعادن يعقد الانصهار الكامل ، مما يؤدي إلى تشققات صغيرة وعيوب تقلل من قوة الختم.
التكلفة العالية والتعقيد: إن عملية التصنيع باهظة الثمن ومعقدة للمعادن السيراميك تحد من تطبيقها في بعض المجالات.
من خلال مواجهة هذه التحديات ، يستمر المعادن السيرامية في التطور ، مما يتيح اتصالات موثوقة بين السيراميك والمعادن في التطبيقات الإلكترونية والهيكلية المتقدمة.
