一種陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，尤其涉及一種不經(jīng)過中間結(jié)合層而直接結(jié)合 的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體。本發(fā)明還涉及該陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陶瓷材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度、抗磨性、耐腐蝕性、耐熱性，可以作為各種結(jié)構(gòu)材料用 在電子、機(jī)械設(shè)備的外殼上。但是，陶瓷材料的缺點(diǎn)在于脆性和由其導(dǎo)致的低強(qiáng)度可靠性。 因此，現(xiàn)有技術(shù)中常常采用制備陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，通過在陶瓷材料上結(jié)合一層金屬層來 解決這一問題。目前常見的陶瓷材料與金屬材料的結(jié)合方法，包括結(jié)合劑結(jié)合法、釬焊法、 金屬化法、擴(kuò)散結(jié)合法等。
[0003] 采用有機(jī)結(jié)合劑或無機(jī)結(jié)合劑使陶瓷材料與金屬材料結(jié)合的方法是最常見的，但 是其問題在于結(jié)合層的結(jié)合強(qiáng)度低、且缺乏耐熱性。
[0004] 釬焊法是一種較先進(jìn)的方法，釬焊法使用焊材進(jìn)行結(jié)合，所采用的焊材通常是在 金屬焊接領(lǐng)域中使用的各種焊材。釬焊法所用的焊材的價(jià)格往往較高，而且釬焊法需要在 高溫、真空下進(jìn)行，造成釬焊法的成本高、使用范圍有限。而且，焊材中一般添加了非金屬物 質(zhì)，以與金屬材料形成低熔點(diǎn)的共晶合金，這樣造成了陶瓷材料的硬度大于金屬材料導(dǎo)致 的破壞，以及陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體的熱穩(wěn)定性不良。
[0005] 金屬化法是使用金屬粉末在陶瓷表面涂覆后再燒結(jié)，從而在陶瓷材料上形成金屬 層。所形成的金屬層的厚度是幾微米-幾十微米，該金屬層僅僅是薄薄的一層，且致密度較 低，用途有限。
[0006] 擴(kuò)散結(jié)合法的一個(gè)例子是Ti與ZrO2的擴(kuò)散結(jié)合，其對(duì)工藝條件的要求是高溫，以 及所結(jié)合的基材具有高平整度。而且，所形成的擴(kuò)散結(jié)合體是由于Ti在ZrO 2中的擴(kuò)散形 成了中間化合物才實(shí)現(xiàn)的結(jié)合。而在對(duì)強(qiáng)度要求較高的場(chǎng)合，中間化合物的存在是破裂缺 陷的來源，因此人們期望盡量降低甚至不存在中間化合物，但這一點(diǎn)在擴(kuò)散結(jié)合法中是極 難實(shí)現(xiàn)的。
[0007] 因此，本發(fā)明提供了一種新的陶瓷材料與金屬材料的結(jié)合方法，通過該結(jié)合方法 制備的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，不存在中間層，而且具有高強(qiáng)度和高熱穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，包括陶瓷層和鎂金屬層，陶瓷層與鎂金 屬層之間在不經(jīng)過中間結(jié)合層的情況下直接結(jié)合；其中，鎂金屬層的鎂含量多80%，陶瓷 層是氧化鋯或氧化鋁。
[0009] 在本發(fā)明的技術(shù)方案中，鎂金屬層的鎂含量?jī)?yōu)選多90wt. %。鎂金屬可以是純鎂， 也可以是合金形式的，其它成分可以為鋁、錳、鋅等元素。
[0010] 在本發(fā)明的技術(shù)方案中，陶瓷材料可以選用含釔元素的氧化鋯，氧化鋁，莫來石， 二氧化硅等，優(yōu)選的陶瓷材料是不會(huì)與鎂金屬形成中間產(chǎn)物的氧化物陶瓷。從強(qiáng)度和耐磨 性的方面考慮，氧化鋁、氧化鋯陶瓷材料為好。
[0011] 而且，在不影響結(jié)合的情況下，還可以在陶瓷材料中加入著色劑。著色劑一般是無 機(jī)染料，如鈷、錳、鋅和過渡金屬的氧化物，優(yōu)選白色二氧化鈦。
[0012] 在本發(fā)明的技術(shù)方案中，可以制備各種形狀的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，如圓盤形、板 狀、管狀、環(huán)狀等。
[0013] 該陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體的制備方法為：將陶瓷與鎂金屬在惰性氣體的保護(hù)下，在 420°C以上的溫度下，施加0.1 MPa以上的壓力使陶瓷與鎂金屬相互接觸，在接觸時(shí)鎂金屬 保持恪融的狀態(tài)。
[0014] 陶瓷材料由二氧化鋯粉末、氧化鋁粉末或其混合粉末制成，先成型再燒結(jié)。而且， 為了提高陶瓷材料與鎂金屬的結(jié)合強(qiáng)度，優(yōu)選陶瓷材料的表面是平面，更優(yōu)選對(duì)其進(jìn)行鏡 面拋光處理。
[0015] 鎂金屬層的鎂含量彡80wt. %，優(yōu)選彡90wt. %。鎂金屬可以是純鎂，也可以是 合金形式的，其它成分可以為鋁、錳、鋅等元素。一種鎂金屬的組成為：鎂9. Olwt. %，鋁 0. 9wt. %，鋅9wt. %。對(duì)鎂金屬的表面進(jìn)行經(jīng)研磨或化學(xué)處理，形成粗糙表面。
[0016] 將陶瓷材料層與鎂金屬層放入熱壓機(jī)的模具中使其彼此相接觸，模具的材料與鎂 金屬不發(fā)生反應(yīng)（例如不銹鋼）。結(jié)合的溫度在420°c以上，如500-800°C，保持30-60min， 或者550-600°C，保持30-40min。結(jié)合的壓力為0.1 MPa以上，這樣可以保證陶瓷層與鎂金 屬層的充分接觸，得到高結(jié)合強(qiáng)度的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體。結(jié)合的壓力優(yōu)選0. 5-1. 5MPa。
[0017] 結(jié)合時(shí)采用的惰性氣氛不含氧氣，也不與鎂金屬反應(yīng)，所采用的如氦氣、氬氣等， 也可采用真空。而且，還可以采用六氟化硫等抑制鎂金屬的劇烈氧化。
[0018] 本發(fā)明所得到的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，具有高強(qiáng)度和高熱穩(wěn)定性，可以用在鐘表、電 子器材等的外殼材料上。
【附圖說明】
[0019] 圖1是實(shí)施例1的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體的結(jié)合面的金相圖。
【具體實(shí)施方式】 [0020] 實(shí)施例1
[0021] 以粉末形式的20wt. % Al2O3與80wt. % ZrO 2相混合，外加 3mol %的Y 203粉末，在 50MPa的壓力下預(yù)成型，然后在200MPa的壓力下采用冷等靜壓工藝成型成片體。將成型體 在1500°C下燒結(jié)2小時(shí)，隨爐冷卻后取出，經(jīng)鏡面拋光得到陶瓷層。
[0022] 將組成為鎂90.1 wt. %，鋁0. 9wt. %，鋅9wt. %的鎂金屬制成片狀，得到鎂金屬 層。將鎂金屬層與陶瓷層直接接觸，在氬氣氣氛下在600°C、30min、l. 5MPa的壓力下結(jié)合， 得到具有良好結(jié)合狀態(tài)的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體。
[0023] 實(shí)施例2
[0024] 采用與實(shí)施例1相同的工藝制成ZrO2陶瓷層和鎂金屬層，在450°C、30分鐘的條件 下制備陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，其它條件與實(shí)施例1相同。得到了具有良好結(jié)合狀態(tài)的陶瓷-金 屬?gòu)?fù)合體。
[0025] 實(shí)施例3
[0026] 使用Al2O3作為陶瓷層材料，其它工藝條件與實(shí)施例1相同。將Al 203陶瓷層與鎂 金屬層相結(jié)合，得到了具有良好結(jié)合狀態(tài)的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體。
[0027] 采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體的結(jié)合強(qiáng)度、斷裂韌性和熱膨脹率，結(jié)果 如表1所示：
[0028] 表 1
[0029]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，包括陶瓷層和鎂金屬層，其特征在于，陶瓷層與鎂金屬層之 間在不經(jīng)過中間結(jié)合層的情況下直接結(jié)合；其中，鎂金屬層的鎂含量多80wt. %，陶瓷層優(yōu) 選是氧化鋯或氧化鋁。
2. 如權(quán)利要求1的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，其特征在于：鎂金屬層的組成為鎂9. Olwt. %， 錯(cuò) 0· 9wt. %，鋅 9wt. %。
3. 如權(quán)利要求1的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，其特征在于：鎂金屬層是由純鎂 (Mg>99. 9wt. % )組成。
4. 如權(quán)利要求1-3的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，其特征在于：陶瓷層的材料是氧化鋁或氧化 錯(cuò)。
5. -種如權(quán)利要求1的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體的制備方法，其特征在于：在熱壓爐中，將陶 瓷與鎂金屬在惰性氣體的保護(hù)下，在420°C以上的溫度下，施加0.1 MPa以上的壓力使陶瓷 與鎂金屬相互接觸，在接觸時(shí)鎂金屬保持熔融的狀態(tài)。
【專利摘要】一種陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，包括陶瓷層和鎂金屬層，陶瓷層與鎂金屬層之間在不經(jīng)過中間結(jié)合層的情況下直接結(jié)合；其中，鎂金屬層的鎂含量≥80wt.％，陶瓷層是氧化鋯或氧化鋁。該陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體的制備方法為：將陶瓷與鎂金屬在惰性氣體的保護(hù)下，在420℃以上的溫度下，施加0.1MPa以上的壓力使陶瓷與鎂金屬相互接觸，在接觸時(shí)鎂金屬保持熔融的狀態(tài)。本發(fā)明所得到的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合體，具有高強(qiáng)度和高熱穩(wěn)定性，可以用在鐘表、電子器材等的外殼材料上。
【IPC分類】B32B15-04, B32B18-00
【公開號(hào)】CN104669719
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410715338
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請(qǐng)人】王栩
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年3月23日