Cosa sono le ceramiche metallizzate?

2025 11/01

Con l'avanzamento in corso della ceramica avanzata, in particolare la ceramica elettronica, la connessione tra ceramica e metalli è diventata un punto di interesse focale. Tuttavia, le distinte microstrutture di superfici ceramiche e metalliche pongono sfide per il legame diretto. I saldature tradizionali non riescono a bagnare adeguatamente superfici ceramiche, prevenendo un'adesione efficace. Per risolvere questo problema, sono state sviluppate tecniche di metallizzazione ceramica. Questi metodi prevedono il deposito di un film in metallo saldamente aderente sulla superficie ceramica, consentendo una saldatura riuscita tra ceramica e metalli.

Principio di metallizzazione ceramica

La metallizzazione ceramica comporta una serie di reazioni chimiche e fisiche, incluso il flusso di plastica di sostanze e il riarrangiamento delle particelle. Durante la sinterizzazione, varie sostanze nello strato di metallizzazione, come ossidi e ossidi non metallici, subiscono reazioni chimiche e diffusione. All'aumentare della temperatura, queste sostanze formano composti intermedi, che raggiungono un punto di fusione comune per creare una fase liquida. La fase del vetro liquido viscoso subisce un flusso di plastica e le particelle si riarrancano in azione capillare. L'energia superficiale guida la diffusione atomica o molecolare, promuovendo la crescita del grano e riducendo la porosità, raggiungendo alla fine la densificazione dello strato di metallizzazione.

Classificazione del processo della ceramica metallizzata

Questa discussione si concentra sulle tecniche di metallizzazione per i componenti ceramici avanzati, esclusi i substrati ceramici.

Metodo in argento bruciato (infiltrazione d'argento)

Questo metodo prevede l'infiltrazione di uno strato di argento metallico sulla superficie ceramica. L'eccellente conducibilità e la resistenza all'ossidazione dell'argento consentono la saldatura diretta dei metalli allo strato d'argento. Tuttavia, l'argento è soggetto a diffusione nel mezzo a temperature elevate, umidità e campi elettrici CC, rendendolo inadatto agli ambienti con rigorosi requisiti di prestazioni elettriche.

Flusso di processo:

Pre-trattamento: la ceramica viene pulita in acqua insaponata a 70–80 ° C, sciacquata ed essiccata a 100–110 ° C. La pulizia ad ultrasuoni può anche essere utilizzata.

Preparazione della pasta d'argento: materie prime contenenti argento, flusso e legante vengono miscelati in un mulino a sfera di corindone per 70-90 ore per ottenere uniformità e finezza.

Rivestimento: la pasta d'argento viene applicata manualmente, meccanicamente, tramite rivestimento, spruzzatura o stampa sullo schermo. I solventi come la trementina possono essere aggiunti per regolare la viscosità.

Essiccazione e sinterizzazione: lo strato d'argento viene essiccato a 60 ° C per evitare il ridimensionamento, quindi sinterizzato in un forno elettrico di tipo scatola o in forno a tunnel.

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Metodo in polvere in metallo sinterizzato

Questa tecnica prevede la sinterizzazione della polvere di metallo sulla superficie ceramica sotto un'atmosfera riducente ad alta temperatura per formare un film in metallo.

Considerazioni chiave:

Il punto di fusione del metallo da saldare dovrebbe superare la temperatura di metallizzazione di almeno 200 ° C.

I coefficienti di espansione termica del metallo e della ceramica devono essere abbinati strettamente.

Selezione di polvere in metallo:

I metalli refrattari (ad es. W, MO) sono usati come polvere primaria, con piccole quantità di metalli a basso punto di fusione (ad es. Fe, Mn, Ti) aggiunti.

La formula MO-MN è ampiamente adottata per la sua forte adattabilità.

Sottocategorie:

Metodo MO-MN aggiunto attivatore: attivatori (ad es. Polvere di minerale, polvere di porcellana) abbassano la temperatura di metallizzazione e migliorano la resistenza al legame.

Metallizzazione a bassa temperatura: sostituisce ossidi o sali di molibdeno e manganese (EG, MOO₃, MNO₂) per polveri metallici, riducendo le temperature di metallizzazione inferiori a 1200 ° C. Questo metodo è conveniente per il rivestimento di fori profondi o piccoli ma soffre di alti tassi di migrazione dello strato di metallizzazione.

Metodo di brasatura in metallo attivo

Sviluppata successivamente al metodo MO-MN, questa tecnica richiede meno passaggi, completando la tenuta in metallo in ceramica in un singolo processo di riscaldamento. Le leghe di brasatura contenenti elementi attivi (EG, Ti, Zr, HF, TA) reagiscono con Al₂o₃ per formare uno strato di reazione metallica all'interfaccia. Sebbene conveniente e adattabile alla produzione su larga scala, la sua gamma limitata di materiali di brasatura attiva limita la sua applicazione a una produzione di grandi dimensioni o di piccoli batch.

Metodo di saldatura dell'ossido

Questo metodo utilizza ossidi misti (EG, CAO, MGO, SRO, BAO con Sio₂, B₂o₃, Al₂o₃) come saldatura per sigillatura in ceramica. Gli ossidi sono sciolti, spento e macinati in polvere fine. Questa tecnica è comunemente usata per sigillare la ceramica di allumina ad alta allumina o trasparente a metalli come W, MO, TA e NB.

Sigillatura a pressione

A temperatura ambiente, la pressione meccanica viene applicata per ceramica e metalli in lega. Questo metodo sfrutta l'elevata resistenza a compressione della ceramica e la deformazione elastica dei metalli. Un piccolo angolo obliquo (7 ° -10 °) viene macinato sulla faccia dell'estremità dell'anello in ceramica e l'anello in ceramica (leggermente più piccolo nel diametro interno rispetto al diametro esterno dell'anello metallico) viene premuto sul metallo. L'anello di metallo si espande elasticamente, serrando strettamente sull'anello in ceramica per formare una tenuta a pressione con pressioni fino a 600 MPa.

Applicazioni: questo processo è adatto per parti di sigillatura di grandi dimensioni, a basso volume, in genere porcellana ad alto contenuto di allumina. Il metallo utilizzato dovrebbe avere un'elevata resistenza, elasticità, un coefficiente di espansione termica simile alla ceramica e una buona resistenza alla fatica. La placcatura in metallo morbido (ad es. Silver, rame o oro) sulla superficie della tenuta in metallo facilita lo scivolo durante la tenuta e garantisce ermetica.

Metodo sputtering Metallizzazione

Condotto in un sistema a vuoto, lo sputtering prevede processi di sputtering a due spuzioni, a quattro tipi o ad alta frequenza. In due spuzioni, il sistema viene pompato a un vuoto alto (10⁻⁵ Pa), riempito con argon (1-10⁻¹ PA) e la parte ceramica viene posizionata vicino al bersaglio sputtering. Un'alta tensione negativa (1–7 kV) ionizza l'argon e ioni positivi bombardano la superficie bersaglio, sputtering metallico sulla ceramica per formare un sottile pellicola di metallo.

Configurazione target: due o tre diversi metalli sono montati su uno scaffale rotabile. Dopo aver sputato il primo strato (ad es. Tungsteno o molibdeno, spesso 50–500 nm), il telaio target viene ruotato per sputtering un secondo strato (ad es. Rame, argento o oro, spesso 1-5 µm). L'uso di TI per il primo livello produce risultati migliori.

Applicazioni: lo sputtering è ideale per ceramiche che non possono resistere a temperature elevate (ad es. Ceramica piezoelettrica) e garantisce un controllo dimensionale preciso a causa del sottile strato di metallizzazione.

Sfide tecniche della ceramica metallizzata

Mismatch di espansione termica: differenze nei coefficienti di espansione termica tra ceramica e metalli possono indurre stress durante la sinterizzazione, portando a cracking o distruzione dello strato.

Reazioni chimiche interfacciali: le reazioni all'interfaccia metallica-ceramica producono ossidi, alterando la composizione chimica e la struttura dell'interfaccia e le prestazioni degradanti.

Disparniità del punto di fusione: la differenza significativa nei punti di fusione tra ceramica e metalli complica la fusione completa, con conseguenti piccole crepe e difetti che riducono la resistenza alla tenuta.

Costo e complessità elevati: il costoso e intricato processo di produzione di metallizzazione ceramica limita la sua applicazione in alcuni campi.

Affrontando queste sfide, la metallizzazione della ceramica continua a evolversi, consentendo connessioni affidabili tra ceramica e metalli in applicazioni elettroniche e strutturali avanzate.

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