Com o avanço contínuo da cerâmica avançada, particularmente a cerâmica eletrônica, a conexão entre cerâmica e metais se tornou um ponto de interesse focal. No entanto, as microestruturas distintas de superfícies de cerâmica e metal apresentam desafios para a ligação direta. As soldas tradicionais não conseguem molhar superfícies cerâmicas úmidas, impedindo a adesão eficaz. Para abordar isso, foram desenvolvidas técnicas de metalização de cerâmica. Esses métodos envolvem depositar um filme de metal firmemente aderente na superfície de cerâmica, permitindo a soldagem bem -sucedida entre cerâmica e metais.
Princípio da metalização cerâmica
A metalização cerâmica envolve uma série de reações químicas e físicas, incluindo fluxo plástico de substâncias e rearranjo de partículas. Durante a sinterização, várias substâncias na camada de metalização, como óxidos e óxidos não metálicos, sofrem reações químicas e difusão. À medida que a temperatura aumenta, essas substâncias formam compostos intermediários, que atingem um ponto de fusão comum para criar uma fase líquida. A fase viscosa de vidro líquido passa por fluxo de plástico e reorganização de partículas sob ação capilar. A energia da superfície impulsiona a difusão atômica ou molecular, promovendo o crescimento de grãos e reduzindo a porosidade, alcançando finalmente a densificação da camada de metalização.
Classificação do processo de cerâmica metalizada
Esta discussão se concentra nas técnicas de metalização para componentes de cerâmica avançados, excluindo substratos de cerâmica.
Método de prata queimada (infiltração de prata)
Este método envolve se infiltrar uma camada de prata metálica na superfície cerâmica. A excelente condutividade e resistência a oxidação de Silver permitem soldagem direta de metais à camada de prata. No entanto, a prata é propensa à difusão no meio sob altas temperaturas, umidade e campos elétricos CC, tornando -o inadequado para ambientes com requisitos rigorosos de desempenho elétrico.
Fluxo de processo:
Pré-tratamento: a cerâmica é limpa em água com sabão a 70 a 80 ° C, enxaguada e seca a 100-110 ° C. A limpeza ultrassônica também pode ser usada.
Preparação da pasta de prata: Matérias-primas contendo prata, fluxo e ligante são misturadas em um moinho de esferas de Corundum por 70 a 90 horas para obter uniformidade e finura.
Coating: A pasta de prata é aplicada manualmente, mecanicamente, por meio de revestimento de mergulho, pulverização ou serigrafia. Solventes como a aguarrás podem ser adicionados para ajustar a viscosidade.
Secagem e sinterização: A camada de prata é seca a 60 ° C para evitar a escala e depois sinterizada em um forno elétrico do tipo caixa ou forno de túnel.
Método de pó de metal sinterizado
Essa técnica envolve sinterização em pó de metal na superfície de cerâmica sob uma atmosfera de redução de alta temperatura para formar um filme de metal.
Considerações importantes:
O ponto de fusão do metal a ser soldado deve exceder a temperatura da metalização em pelo menos 200 ° C.
Os coeficientes de expansão térmica do metal e da cerâmica devem ser de perto.
Seleção de metal em pó:
Os metais refratários (por exemplo, W, MO) são usados como pó primário, com pequenas quantidades de metais de ponto inferior (por exemplo, Fe, Mn, Ti).
A fórmula MO-MN é amplamente adotada devido à sua forte adaptabilidade.
Subcategorias:
Método Mo-Mn adquirido no ativador: ativadores (por exemplo, minério em pó, pó de porcelana) diminuem a temperatura da metalização e aumentam a força de ligação.
Metalização de baixa temperatura: substitui os óxidos ou sais de molibdênio e manganês (por exemplo, moo₃, mno₂) para pós de metal, reduzindo a temperatura de metalização abaixo de 1200 ° C. Este método é conveniente para revestir orifícios profundos ou pequenos, mas sofre de altas taxas de migração da camada de metalização.
Método de brasagem de metal ativo
Desenvolvido posteriormente ao método MO-MN, essa técnica requer menos etapas, concluindo a vedação de cerâmica-metal em um único processo de aquecimento. As ligas de brasagem contendo elementos ativos (por exemplo, Ti, ZR, HF, TA) reagem com Al₂o₃ para formar uma camada de reação metálica na interface. Embora econômico e adaptável à produção em larga escala, sua gama limitada de materiais de brasagem ativa restringe sua aplicação a uma produção grande, de peça única ou de pequenos lotes.
Método de solda de óxido
Este método usa óxidos mistos (por exemplo, CaO, MGO, SRO, BAO com SiO₂, B₂o₃, Al₂o₃) como solda para vedação de cerâmica-metal. Os óxidos são derretidos, extintos e moídos em pó fino. Essa técnica é comumente usada para selar cerâmica de alumina de alta alumina ou alumina para metais como W, MO, TA e NB.
Vedação de pressão
À temperatura ambiente, a pressão mecânica é aplicada a cerâmica e metais de ligação firmemente. Este método aproveita a alta resistência à compressão da cerâmica e a deformação elástica dos metais. Um pequeno ângulo oblíquo (7 ° –10 °) é moído na face da extremidade do anel de cerâmica e o anel de cerâmica (ligeiramente menor em diâmetro interno que o diâmetro externo do anel de metal) é pressionado no metal. O anel de metal se expande elasticamente, apertando firmemente o anel de cerâmica para formar uma vedação de pressão com pressões de até 600 MPa.
APLICAÇÕES: Esse processo é adequado para peças de vedação de baixo volume, porcelana tipicamente alta de alumina. O metal usado deve ter alta resistência, elasticidade, um coeficiente de expansão térmica semelhante à cerâmica e boa resistência à fadiga. O revestimento de metal macio (por exemplo, prata, cobre ou ouro) na superfície de vedação de metal facilita o deslizamento durante a vedação e garante a herbeira.
Método da pulverização Metalização
Conduzido em um sistema de vácuo, a pulverização envolve processos de pulverização de dois sputtering, quatro sputtering ou de alta frequência. Em dois sputtering, o sistema é bombeado para um vácuo alto (10 ⁻⁵ PA), preenchido com argônio (1-10⁻vio PA), e a parte cerâmica é colocada perto do alvo sputtering. Uma alta tensão negativa (1 a 7 kV) ioniza o argônio e os íons positivos bombardeiam a superfície alvo, pulverizando metal na cerâmica para formar um filme de metal fino.
Configuração do alvo: Dois ou três metais diferentes são montados em uma prateleira rotativa. Após a pulverização da primeira camada (por exemplo, tungstênio ou molibdênio, com 50 a 500 nm de espessura), o quadro alvo é girado para espalhar uma segunda camada (por exemplo, cobre, prata ou ouro, com 1 a 5 µm de espessura). O uso do TI para a primeira camada produz melhores resultados.
Aplicações: A pulverização é ideal para cerâmicas que não podem suportar altas temperaturas (por exemplo, cerâmica piezoelétrica) e garante controle dimensional preciso devido à fina camada de metalização.
Desafios técnicos da cerâmica metalizada
Indatibilidade de expansão térmica: as diferenças nos coeficientes de expansão térmica entre cerâmica e metais podem induzir o estresse durante a sinterização, levando a rachaduras ou destruição de camadas.
Reações químicas interfaciais: as reações na interface metal-cerâmica produzem óxidos, alterando a composição e a estrutura química da interface e o desempenho degradante.
Disparidade do ponto de fusão: a diferença significativa nos pontos de fusão entre cerâmica e metais complica a fusão completa, resultando em pequenas rachaduras e defeitos que reduzem a força de vedação.
Alto custo e complexidade: o processo de fabricação caro e intrincado da metalização cerâmica limita sua aplicação em certos campos.
Ao enfrentar esses desafios, a metalização de cerâmica continua a evoluir, permitindo conexões confiáveis entre cerâmica e metais em aplicações eletrônicas e estruturais avançadas.
