Med det pågående framsteget av avancerad keramik, särskilt elektronisk keramik, har sambandet mellan keramik och metaller blivit en kontaktpunkt av intresse. De distinkta mikrostrukturerna för keramiska och metallytor utgör emellertid utmaningar för direkt bindning. Traditionella säljare misslyckas med att tillräckligt våta keramiska ytor, vilket förhindrar effektiv vidhäftning. För att hantera detta har keramiska metalliseringstekniker utvecklats. Dessa metoder involverar deponering av en fast vidhäftande metallfilm på den keramiska ytan, vilket möjliggör framgångsrik svetsning mellan keramik och metaller.
Princip för keramisk metallisering
Keramisk metallisering involverar en serie kemiska och fysiska reaktioner, inklusive plastflöde av ämnen och omarrangemang för partikel. Under sintring genomgår olika ämnen i metalliseringsskiktet, såsom oxider och icke-metalliska oxider, kemiska reaktioner och diffusion. När temperaturen ökar bildar dessa ämnen mellanföreningar, som når en vanlig smältpunkt för att skapa en vätskefas. Den viskösa flytande glasfasen genomgår plastflöde och partiklar ordnar om under kapillärverkan. Ytenergi driver atom- eller molekyldiffusion, främjande av korntillväxt och minskar porositeten, vilket i slutändan uppnår tätning av metalliseringsskiktet.
Processklassificering av metalliserad keramik
Denna diskussion fokuserar på metalliseringstekniker för avancerade keramiska komponenter, exklusive keramiska underlag.
Burnt Silver Method (Silver Infiltration)
Denna metod involverar infiltrering av ett lager metalliskt silver på den keramiska ytan. Silvers utmärkta konduktivitet och oxidationsmotstånd möjliggör direkt svetsning av metaller till silverskiktet. Silver är emellertid benägen att diffusion i mediet under höga temperaturer, luftfuktighet och DC -elektriska fält, vilket gör det olämpligt för miljöer med stränga elektriska prestandakrav.
Processflöde:
Förbehandling: Keramik rengörs i tvålvatten vid 70–80 ° C, sköljs och torkas vid 100–110 ° C. Ultraljudsrengöring kan också användas.
Förberedelse av silverpasta: Silverinnehållande råvaror, flöde och bindemedel blandas i en Corundum-kulkvarn i 70–90 timmar för att uppnå enhetlighet och finhet.
Beläggning: Silverpasta appliceras manuellt, mekaniskt, via doppbeläggning, sprutning eller skärmtryck. Lösningsmedel som terpentin kan tillsättas för att justera viskositeten.
Torkning och sintring: Silverskiktet torkas vid 60 ° C för att förhindra skalning, sintras sedan i en elektrisk ugn av lådan eller tunnelugnen.
Sintrad metallpulvermetod
Denna teknik involverar sintring av metallpulver på den keramiska ytan under en högtemperatur som reducerar atmosfären för att bilda en metallfilm.
Viktiga överväganden:
Smältpunkten för metallen som ska svetsas bör överstiga metalliseringstemperaturen med minst 200 ° C.
De termiska expansionskoefficienterna för metall och keramik bör matchas noggrant.
Val av metallpulver:
Effektiva metaller (t.ex. W, MO) används som det primära pulvret, med små mängder av lägre smältpunktsmetaller (t.ex. Fe, Mn, Ti) tillagda.
MO-MN-formeln antas allmänt på grund av dess starka anpassningsförmåga.
Underkategorier:
Aktivator-tillägg MO-MN-metod: aktivatorer (t.ex. malmpulver, porslinpulver) sänker metalliseringstemperaturen och förbättrar bindningsstyrkan.
Metallisering av låg temperatur: ersätter molybden och manganoxider eller salter (t.ex. Moo₃, Mno₂) för metallpulver, vilket minskar metalliseringstemperaturerna under 1200 ° C. Denna metod är bekväm för beläggning av djupa eller små hål men lider av höga migreringshastigheter i metalliseringsskiktet.
Aktiv metalllödningsmetod
Denna teknik utvecklades senare än MO-MN-metoden och kräver färre steg och slutför keramisk-metalltätning i en enda uppvärmningsprocess. Lödningslegeringar som innehåller aktiva element (t.ex. Ti, Zr, HF, TA) reagerar med Al₂o₃ för att bilda ett metalliskt reaktionslager vid gränssnittet. Även om de är kostnadseffektiva och anpassningsbara till storskalig produktion begränsar dess begränsade utbud av aktiva hårdlödningsmaterial dess tillämpning till stor, enstaka eller små batchproduktion.
Oxidlödmetod
Denna metod använder blandade oxider (t.ex. CaO, Mgo, SRO, Bao med Sio₂, B₂o₃, Al₂o₃) som löd för keramisk-metalltätning. Oxiderna smälter, släckas och malts i fint pulver. Denna teknik används vanligtvis för att täta hög-aluminiumoxid eller transparent aluminiumoxid keramik till metaller som W, MO, TA och NB.
Trycktätning
Vid rumstemperatur appliceras mekaniskt tryck på tätt bindningskeramik och metaller. Denna metod utnyttjar keramikens höga tryckhållfasthet och den elastiska deformationen av metaller. En liten sned vinkel (7 ° –10 °) slipas på den keramiska ringändytan och den keramiska ringen (något mindre i inre diameter än metallringens ytterdiameter) pressas på metallen. Metallringen expanderar elastiskt och klämmer fast vid den keramiska ringen för att bilda en trycktätning med tryck upp till 600 MPa.
Applikationer: Denna process är lämplig för stora, lågvolymtätande delar, vanligtvis hög-aluminiumoxid porslin. Metallen som används bör ha hög styrka, elasticitet, en värmeutvidgningskoefficient som liknar keramiken och god trötthetsresistens. Mjuk metallplätering (t.ex. silver, koppar eller guld) på metalltätningsytan underlättar glidande under tätning och säkerställer lufttäthet.
Metallisering av sputteringsmetoder
Genom att genomföra i ett vakuumsystem involverar sputtering två-styckande, fyra-sputtering eller högfrekventa sputtringsprocesser. I två-suttering pumpas systemet till ett högt vakuum (10⁻⁵ PA), fyllt med argon (1–10⁻ PA), och den keramiska delen placeras nära sputteringsmålet. En negativ högspänning (1–7 kV) joniserar argonet, och positiva joner bombarderar målytan och sputterar metall på keramiken för att bilda en tunn metallfilm.
Målkonfiguration: Två eller tre olika metaller är monterade på en roterbar hylla. Efter sputtering av det första skiktet (t.ex. volfram eller molybden, 50–500 nm tjock), roteras målramen för att sputtera ett andra skikt (t.ex. koppar, silver eller guld, 1–5 um tjock). Att använda TI för det första lagret ger bättre resultat.
Tillämpningar: Sputtering är idealisk för keramik som inte kan tåla höga temperaturer (t.ex. piezoelektrisk keramik) och säkerställer exakt dimensionell kontroll på grund av det tunna metalliseringsskiktet.
Tekniska utmaningar med metalliserad keramik
Termisk expansionsmeddelande: Skillnader i termiska expansionskoefficienter mellan keramik och metaller kan inducera stress under sintring, vilket leder till sprickor eller skiktförstörelse.
Gränssnittet mellan gränssnittet mellan gränssnittet: Reaktioner vid det metall-keramiska gränssnittet producerar oxider, förändrar gränssnittets kemiska sammansättning och struktur och förnedrande prestanda.
Smältpunktsskillnad: Den signifikanta skillnaden i smältpunkter mellan keramik och metaller komplicerar fullständig fusion, vilket resulterar i små sprickor och defekter som minskar tätningsstyrkan.
Hög kostnad och komplexitet: Den dyra och komplicerade tillverkningsprocessen för keramisk metallisering begränsar dess tillämpning inom vissa områden.
Genom att ta itu med dessa utmaningar fortsätter keramisk metallisering att utvecklas, vilket möjliggör tillförlitliga förbindelser mellan keramik och metaller i avancerade elektroniska och strukturella tillämpningar.
