Con el avance continuo de la cerámica avanzada, particularmente la cerámica electrónica, la conexión entre la cerámica y los metales se ha convertido en un punto de interés focal. Sin embargo, las microestructuras distintas de las superficies de cerámica y metal plantean desafíos para la unión directa. Las soldaduras tradicionales no logran húmedamente las superficies cerámicas húmedas, evitando la adhesión efectiva. Para abordar esto, se han desarrollado técnicas de metalización de cerámica. Estos métodos implican depositar una película de metal firmemente adherida a la superficie de la cerámica, lo que permite una soldadura exitosa entre cerámica y metales.
Principio de metalización de cerámica
La metalización cerámica implica una serie de reacciones químicas y físicas, incluido el flujo plástico de sustancias y reordenamiento de partículas. Durante la sinterización, varias sustancias en la capa de metalización, como óxidos y óxidos no metálicos, sufren reacciones químicas y difusión. A medida que aumenta la temperatura, estas sustancias forman compuestos intermedios, que alcanzan un punto de fusión común para crear una fase líquida. La fase viscosa de vidrio líquido sufre flujo de plástico, y las partículas se reorganizan bajo acción capilar. La energía superficial impulsa la difusión atómica o molecular, promoviendo el crecimiento del grano y reduciendo la porosidad, lo que finalmente logró la densificación de la capa de metalización.
Clasificación de procesos de cerámica metalizada
Esta discusión se centra en las técnicas de metalización para componentes cerámicos avanzados, excluyendo sustratos de cerámica.
Método de plata quemada (infiltración de plata)
Este método implica infiltrarse en una capa de plata metálica en la superficie cerámica. La excelente conductividad y resistencia a la oxidación de la plata permiten la soldadura directa de metales a la capa de plata. Sin embargo, la plata es propensa a la difusión en el medio bajo altas temperaturas, humedad y campos eléctricos de CC, lo que lo hace inadecuado para entornos con estrictos requisitos de rendimiento eléctrico.
Flujo de proceso:
Pretratamiento: la cerámica se limpia en agua jabonosa a 70–80 ° C, enjuague y se seca a 100–110 ° C. La limpieza ultrasónica también se puede usar.
Preparación de pasta de plata: las materias primas que contienen plata, flujo y aglutinante se mezclan en un molino de bolas de corundum durante 70-90 horas para lograr la uniformidad y la finura.
Reubicación: la pasta plateada se aplica manualmente, mecánicamente, a través del recubrimiento de inmersión, la pulverización o la impresión de pantalla. Se pueden agregar solventes como la trementina para ajustar la viscosidad.
Secado y sinterización: la capa de plata se seca a 60 ° C para evitar el escala, luego sinterizada en un horno eléctrico o horno de túnel de tipo caja.
Método de polvo de metal sinterizado
Esta técnica implica la sinterización de polvo de metal sobre la superficie de la cerámica bajo una atmósfera reductora de alta temperatura para formar una película de metal.
Consideraciones clave:
El punto de fusión del metal a soldar debe exceder la temperatura de metalización en al menos 200 ° C.
Los coeficientes de expansión térmica del metal y la cerámica deben coincidir de cerca.
Selección de polvo de metal:
Los metales refractarios (EG, W, MO) se usan como polvo primario, con pequeñas cantidades de metales de menor punto de fusión (p. Ej., Fe, Mn, Ti) agregados.
La fórmula MO-MN se adopta ampliamente debido a su fuerte adaptabilidad.
Subcategorías:
Método Mo-MN agregado por activadores: los activadores (p. Ej., Polvo de mineral, polvo de porcelana) bajan la temperatura de metalización y mejoran la resistencia a la unión.
Metalización de baja temperatura: sustituye el molibdeno y los óxidos o sales de manganeso (por ejemplo, Moo₃, MNO₂) por polvos metálicos, reduciendo las temperaturas de metalización por debajo de 1200 ° C. Este método es conveniente para recubrir agujeros profundos o pequeños, pero sufre altas tasas de migración de la capa de metalización.
Método de soldadura de metal activo
Desarrollado más tarde que el método Mo-MN, esta técnica requiere menos pasos, completando el sellado de metal de cerámica en un solo proceso de calentamiento. Las aleaciones de soldadura que contienen elementos activos (p. Ej., Ti, Zr, HF, TA) reaccionan con Al₂o₃ para formar una capa de reacción metálica en la interfaz. Si bien es rentable y adaptable a la producción a gran escala, su gama limitada de materiales de soldadura activa restringe su aplicación a una producción grande, de una sola pieza o de lotes pequeños.
Método de soldadura de óxido
Este método utiliza óxidos mixtos (p. Ej., Cao, MgO, SRO, BAO con SIO₂, B₂O₃, Al₂o₃) como soldadura para el sellado de metal de cerámica. Los óxidos se derriten, se enfrían y se muelen en polvo fino. Esta técnica se usa comúnmente para sellar la cerámica de alúmina de alta alúmina o transparente a metales como W, MO, TA y NB.
Sellado de presión
A temperatura ambiente, la presión mecánica se aplica a la cerámica y metales de unión estrechamente. Este método aprovecha la alta resistencia a la compresión de la cerámica y la deformación elástica de los metales. Un pequeño ángulo oblicuo (7 ° –10 °) se molesta sobre la cara del extremo del anillo de cerámica, y el anillo de cerámica (ligeramente más pequeño en diámetro interno que el diámetro exterior del anillo de metal) se presiona sobre el metal. El anillo de metal se expande elásticamente, sujetando firmemente al anillo de cerámica para formar un sello de presión con presiones de hasta 600 MPa.
Aplicaciones: Este proceso es adecuado para piezas de sellado grandes y de bajo volumen, típicamente porcelana de alta alúmina. El metal utilizado debe tener alta resistencia, elasticidad, un coeficiente de expansión térmica similar a la cerámica y la buena resistencia a la fatiga. El enchapado de metal suave (por ejemplo, plata, cobre o oro) en la superficie de sellado de metal facilita el deslizamiento durante el sellado y garantiza la alegría.
Metalización del método de pulverización
Realizado en un sistema de vacío, la pulverización implica procesos de dos puestas, cuatro puestos o pulverización de alta frecuencia. En dos puestos, el sistema se bombea a un alto vacío (10 ° PA), lleno de argón (1-10⁻¹ PA), y la parte cerámica se coloca cerca del objetivo de pulverización. Un alto voltaje negativo (1–7 kV) ioniza el argón, y los iones positivos bombardean la superficie objetivo, pulverizando metal sobre la cerámica para formar una película de metal delgada.
Configuración del objetivo: dos o tres metales diferentes están montados en un estante rotativo. Después de pulverizar la primera capa (por ejemplo, tungsteno o molibdeno, de 50 a 500 nm de espesor), el marco objetivo se gira para pulverizar una segunda capa (p. Ej., Cobre, plata u oro, de 1 a 5 µm de espesor). El uso de TI para la primera capa produce mejores resultados.
Aplicaciones: la pulverización es ideal para la cerámica que no puede soportar altas temperaturas (p. Ej., Cerámica piezoeléctrica) y garantiza un control dimensional preciso debido a la delgada capa de metalización.
Desafíos técnicos de la cerámica metalizada
Desempeño de expansión térmica: las diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre cerámica y metales pueden inducir estrés durante la sinterización, lo que lleva a grietas o destrucción de capas.
Reacciones químicas interfaciales: las reacciones en la interfaz metal-cerámica producen óxidos, alterando la composición química y la estructura de la interfaz y el rendimiento degradante.
La disparidad del punto de fusión: la diferencia significativa en los puntos de fusión entre la cerámica y los metales complica la fusión completa, lo que resulta en pequeñas grietas y defectos que reducen la resistencia al sellado.
Alto costo y complejidad: el costoso e intrincado proceso de fabricación de metalización de cerámica limita su aplicación en ciertos campos.
Al abordar estos desafíos, la metalización de cerámica continúa evolucionando, permitiendo conexiones confiables entre cerámica y metales en aplicaciones electrónicas y estructurales avanzadas.
