碳化硅接头及其金属渗透连接方法

摘要

本发明公开了一种碳化硅接头及其金属渗透连接方法，金属渗透连接方法包括以下步骤：S1、将第一金属原料和第二金属原料配制形成连接材料；S2、将所述连接材料设置在两个碳化硅件的连接面之间，与两个碳化硅件形成三明治结构；S3、将所述三明治结构置于具有金属相的烧结环境中并进行烧结；烧结过程中，所述金属相渗透至所述连接材料内并填充在连接材料中产生的气孔中；S4、烧结后，所述连接材料致密化形成连接层，将两个碳化硅件连接形成碳化硅接头。本发明的碳化硅接头的金属渗透连接方法，以金属相渗透至连接材料中，实现连接材料的致密化，得到高强连接且气密性好的碳化硅接头，降低对碳化硅形状结构等的要求。

权利要求

1.一种碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将第一金属原料和第二金属原料配制形成连接材料；

所述第一金属原料包括钛、钽、钼、铌和钇中至少一种，所述第二金属原料包括铝和硅中至少一种；所述第一金属原料和第二金属原料的摩尔比例为0.1:1～2:1；

S2、将所述连接材料设置在两个碳化硅件的连接面之间，与两个碳化硅件形成三明治结构；

S3、将所述三明治结构置于具有金属相的烧结环境中并进行烧结；

烧结时，以1℃/min～20℃/min的升温速率升温至1000℃～1800℃，保温0.5h‑4h；烧结过程中，所述金属相渗透至所述连接材料内并填充在连接材料中产生的气孔中；

S4、烧结后，所述连接材料致密化形成连接层，将两个碳化硅件连接形成碳化硅接头。

2.根据权利要求1所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，所述第一金属原料为金属箔和金属粉中至少一种。

3.根据权利要求2所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，步骤S1中，所述第二金属原料为金属粉，包括铝粉和硅粉中至少一种。

4.根据权利要求3所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，所述第一金属原料为金属箔，所述第二金属原料为金属粉；步骤S1中，将金属粉设置在金属箔的相对两面上，形成连接材料。

5.根据权利要求4所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，步骤S1中，先将金属粉与有机溶剂混合形成浆料后再涂抹至所述金属箔的相对两面上。

6.根据权利要求5所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，所述有机溶剂包括无水乙醇、丙酮和二甲苯中至少一种；所述涂抹采用喷涂、浸渍‑提拉、丝网印刷方式中至少一种。

7.根据权利要求3所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，所述第一金属原料和第二金属原料均为金属粉；步骤S1中，将第一金属原料和第二金属原料加入有机溶剂中混合，形成连接材料。

8.根据权利要求7所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，步骤S1中，所述混合采用球磨、磁力搅拌、机械搅拌和超声混合方式中一种或多种。

9.根据权利要求7所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，所述有机溶剂包括无水乙醇、丙酮和二甲苯中至少一种。

10.根据权利要求1所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，步骤S3中，所述金属相包括铁、钴、镍、铬、锰、钨、钛、锆、铪、钒、钽、钼、铌、钇中至少一种。

11.根据权利要求1所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，步骤S3中，所述金属相为金属粉末或者金属块体。

12.根据权利要求1所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，步骤S3包括：将所述三明治结构以及金属相放入坩埚中，再将所述坩埚放入烧结炉中进行烧结。

13.根据权利要求12所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，所述坩埚为石墨坩埚、氮化硼坩埚、氧化铝坩埚或玛瑙坩埚。

14.根据权利要求1所述的碳化硅接头的金属渗透连接方法，其特征在于，步骤S4中，所述连接层的厚度为10μm～100μm。

15.一种碳化硅接头，其特征在于，采用权利要求1‑14任一项所述的金属渗透连接方法形成。

说明书

碳化硅接头及其金属渗透连接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及陶瓷材料连接技术领域，尤其涉及一种碳化硅接头及其金属渗透连接方法。

背景技术

[0002] 碳化硅陶瓷具有高熔点、优异的力学、热学和抗腐蚀性能，使其在车辆、海洋工程、核能、航空航天等领域具有非常广泛的应用。以上应用不仅要求碳化硅具有良好的耐高温性能，还对其形状结构具有较高要求。钎焊连接可在低温、低压条件下进行，能满足碳化硅形状结构要求，但是大部分钎料只能在低温条件下使用。

[0003] 目前研究发现，Ti‑Si钎焊连接具有良好的耐高温性能，但是该连接技术只能在高真空条件下才能制备得到高强度碳化硅接头，在石墨加热炉中连接时，加速中间层MAX相分解，连接强度大幅度降低，限制了该技术在碳化硅连接领域应用。另外，Ti‑Si钎焊连接碳化硅时，对碳化硅加工平面要求比较苛刻，对碳化硅本身材质有要求，需要碳化硅材料中具有游离碳，高纯碳化硅则不利于高强碳化硅接头的制备，因此也在限制了碳化硅连接领域的应用。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题在于，提供一种提高连接结构强度的碳化硅接头的金属渗透连接方法及连接得到的碳化硅接头。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种碳化硅接头的金属渗透连接方法，包括以下步骤：

[0006] S1、将第一金属原料和第二金属原料配制形成连接材料；

[0007] S2、将所述连接材料设置在两个碳化硅件的连接面之间，与两个碳化硅件形成三明治结构；

[0008] S3、将所述三明治结构置于具有金属相的烧结环境中并进行烧结；

[0009] 烧结过程中，所述金属相渗透至所述连接材料内并填充在连接材料中产生的气孔中；

[0010] S4、烧结后，所述连接材料致密化形成连接层，将两个碳化硅件连接形成碳化硅接头。

[0011] 优选地，步骤S1中，所述第一金属原料和所述第二金属原料的摩尔比例为0.1:1～2:1。

[0012] 优选地，所述第一金属原料为金属箔和金属粉中至少一种。

[0013] 优选地，步骤S1中，所述第一金属原料包括钛、钽、钼、铌和钇中至少一种。

[0014] 优选地，骤S1中，所述第二金属原料为金属粉，包括铝粉和硅粉中至少一种。

[0015] 优选地，所述第一金属原料为金属箔，所述第二金属原料为金属粉；步骤S1中，将金属粉设置在金属箔的相对两面上，形成连接材料。

[0016] 优选地，步骤S1中，先将金属粉与有机溶剂混合形成浆料后再涂抹至所述金属箔的相对两面上。

[0017] 优选地，所述有机溶剂包括无水乙醇、丙酮和二甲苯中至少一种；所述涂抹采用喷涂、浸渍‑提拉、丝网印刷方式中至少一种。

[0018] 优选地，所述第一金属原料和第二金属原料均为金属粉；步骤S1中，将第一金属原料和第二金属原料加入有机溶剂中混合，形成连接材料。

[0019] 优选地，步骤S1中，所述混合采用球磨、磁力搅拌、机械搅拌和超声混合方式中一种或多种。

[0020] 优选地，所述有机溶剂包括无水乙醇、丙酮和二甲苯中至少一种。

[0021] 优选地，步骤S3中，烧结时，以1℃/min～20℃/min的升温速率升温至1000℃～1800℃，保温0.5h‑4h。

[0022] 优选地，步骤S3中，所述金属相包括铁、钴、镍、铬、锰、钨、钛、锆、铪、钒、钽、钼、铌、钇中至少一种。

[0023] 优选地，步骤S3中，所述金属相为金属粉末或者金属块体。

[0024] 优选地，步骤S3包括：将所述三明治结构以及金属相放入坩埚中，再将所述坩埚放入烧结炉中进行烧结。

[0025] 优选地，所述坩埚为石墨坩埚、氮化硼坩埚、氧化铝坩埚或玛瑙坩埚。

[0026] 优选地，步骤S4中，所述连接层的厚度为10μm～100μm。

[0027] 本发明还提供一种碳化硅接头，采用以上任一项所述的金属渗透连接方法形成。

[0028] 本发明的碳化硅接头的金属渗透连接方法，以金属相渗透至连接材料中，实现连接材料的致密化，得到高强连接且气密性好的碳化硅接头，降低对碳化硅形状结构等的要求。

[0029] 本发明能够在低温、低压下进行，降低碳化硅接头的制备条件。

附图说明

[0030] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

[0031] 图1是本发明中实施例1制得的碳化硅接头的电子扫描电镜图；

[0032] 图2是图1的部分放大结构图；

[0033] 图3是本发明中比较例1制得的碳化硅接头的电子扫描电镜图。

具体实施方式

[0034] 本发明的碳化硅接头的金属渗透连接方法，包括以下步骤：

[0035] S1、将第一金属原料和第二金属原料配制形成连接材料。

[0036] 第一金属原料可包括钛、钽、钼、铌和钇中至少一种；第二金属原料包括铝和硅中至少一种。并且，第一金属原料和第二金属原料中各金属的纯度均要求99％以上，即可99％‑99.999％。

[0037] 在形式上，第一金属原料可以是金属箔、金属粉中至少一种；第二金属原料优选为金属粉，如铝粉、硅粉。

[0038] 在连接材料中，第一金属原料和第二金属原料的摩尔比例为0.1:1～2:1，优选为0.5:1～1.6:1。

[0039] 在连接材料的一种配制方式中，第一金属原料为金属箔，第二金属原料为金属粉；将金属粉设置在金属箔的相对两面上，形成连接材料。为保证金属粉能够附着在金属箔上，先将金属粉与有机溶剂混合形成浆料后再涂抹至金属箔的相对两面上。其中，有机溶剂包括无水乙醇、丙酮和二甲苯中至少一种；涂抹采用喷涂、浸渍‑提拉、丝网印刷方式中至少一种。

[0040] 在连接材料的另一种配制方式中，第一金属原料和第二金属原料均为金属粉时；将第二金属原料和第二金属原料加入有机溶剂中并进行混合，形成连接材料。其中，有机溶剂包括无水乙醇、丙酮和二甲苯中至少一种；混合方式采用球磨、磁力搅拌、机械搅拌和超声混合中一种或多种。

[0041] S2、将连接材料设置在两个碳化硅件的连接面之间，与两个碳化硅件形成三明治结构。三明治结构在叠设上体现为：碳化硅件/连接材料/碳化硅件。

[0042] S3、将三明治结构置于具有金属相的烧结环境中并进行烧结。

[0043] 其中，对于金属相的选择，从结构形式上，可以是金属粉或金属块体等等。从金属种类上，金属相包括铁、钴、镍、铬、锰、钨、钛、锆、铪、钒、钽、钼、铌、钇中至少一种。

[0044] 具体地，步骤S3可包括：将三明治结构和金属相放入坩埚中，再将坩埚放入烧结炉中进行烧结。坩埚为石墨坩埚、氮化硼坩埚、氧化铝坩埚或玛瑙坩埚。

[0045] 烧结气氛为真空或惰性气体保护气氛。在烧结时，以1℃/min～20℃/min的升温速率升温至1000℃～1800℃，保温0.5h‑4h。根据对烧结温度的控制，将其控制在1500℃下，并且无需对三明治结构施加一定的对接压力，从而实现在低温、低压(无压)下进行碳化硅连接。

[0046] 烧结过程中，金属相渗透至连接材料内并填充连接材料中产生的气孔，结合连接材料将两个碳化硅件连接在一起。连接的原理具体如下：当铁、钴、镍等金属的饱和蒸汽压低于环境气体压力(坩埚内部压力)时，在对应的温度段主要发生Ti、Si和SiC基体反应生成Ti3SiC2相；随着温度进一步提升，当以上金属的饱和蒸汽压高于环境气体压力时，金属相渗透进入连接材料的同时，促进Ti3SiC2相分解产生气孔，渗透进入的金属相进一步填补以上产生的气孔，实现连接材料的致密化。

[0047] S4、烧结后，连接材料致密化形成连接层，将两个碳化硅件连接形成碳化硅接头。

[0048] 在碳化硅接头中，连接层的厚度为10μm～100μm。

[0049] 本发明的金属渗透连接方法形成的碳化硅接头，其在室温下剪切强度为50MPa～‑8150MPa，在1200℃高温下的剪切强度为80MPa～200MPa；漏率为0～1×10 Pa·L/s，气密性好。

[0050] 本发明的碳化硅接头适用于在核辐照防护领域中应用，如应用于SiC包壳，实现SiC端塞和SiC包壳管之间的连接。

[0051] 下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。

[0052] 实施例1

[0053] 将金属Ti箔(厚度10μm，纯度99.99％)和Si粉(粒径为1μm，纯度为99.999％)作为连接材料的原料；将金属Ti箔用砂纸抛光后，将Si粉涂抹在金属Ti箔两侧，金属Ti箔和Si粉的摩尔比例为2：3；将以上金属Ti箔和Si粉置于碳化硅之间形成三明治结构。在石墨坩埚中，将以上三明治结构置于铁、钴、镍块体周围，再将石墨坩埚置于烧结炉中进行烧结连接。烧结时，以20℃/min升温至1500℃，保温1h，烧结气氛为真空，烧结后得到碳化硅接头。

[0054] 上述得到的碳化硅接头的电子扫描电镜图如图1所示。从图1中可知，位于两个碳化硅之间的连接层呈致密分布，并且连接层厚度为40μm。进一步通过高倍率电镜分析，如图2所示，连接层与碳化硅界面结合紧密。连接层中，黑色相为碳化钛，白色相为铁、钴、镍金属相。

[0055] 对以上碳化硅接头进行剪切强度测试，结果显示，室温下接头的剪切强度达到‑1090MPa，1200℃高温下的剪切强度达到100MPa。碳化硅接头的漏率为1×10 Pa·L/s。

[0056] 实施例2

[0057] 将金属Mo(厚度20μm，纯度99.99％)和Si粉(粒径为5μm，纯度为99.999％)作为连接材料的原料；按照实施例1方法实现碳化硅的连接，其中烧结时，烧结温度为1600℃，保温2h，烧结气氛为氩气，制得具有致密连接层的碳化硅接头。

[0058] 上述制得的碳化硅接头，连接层厚度为60μm。在剪切强度测试中，室温下剪切强度‑9为120MPa，在1200℃高温下的剪切强度为150MPa。碳化硅接头的漏率为1×10 Pa·L/s。

[0059] 实施例3

[0060] 将金属Ta(厚度20μm，纯度99.99％)和Al粉(粒径为20μm，纯度为99.999％)作为连接材料的原料；按照实施例1方法实现碳化硅的连接，其中烧结时，烧结温度为1700℃，保温2h，烧结气氛为氩气，制得具有致密连接层的碳化硅接头。

[0061] 上述制得的碳化硅接头，连接层厚度为50μm。在剪切强度测试中，室温下剪切强度‑8为150MPa，在1200℃高温下的剪切强度为200MPa。碳化硅接头的漏率为1×10 Pa·L/s。

[0062] 实施例4

[0063] 将金属Nb粉末(粒径为20μm，纯度为99.999％)和Al粉(粒径为30μm，纯度为99.999％)作为连接材料的原料；按照实施例1方法实现碳化硅的连接，其中烧结时，烧结温度为1550℃，保温2h，烧结气氛为氩气，制得具有致密连接层的碳化硅接头。

[0064] 上述制得的碳化硅接头，连接层厚度为90μm。在剪切强度测试中，室温下剪切强度‑10为80MPa，在1200℃高温下的剪切强度为120MPa。碳化硅接头的漏率为1×10 Pa·L/s。

[0065] 实施例5

[0066] 将金属Y粉末(粒径为10μm，纯度为99.999％)和Si粉(粒径为5μm，纯度为99.999％)作为连接材料的原料；按照实施例1方法实现碳化硅的连接，其中烧结时，烧结温度为1700℃，保温2h，烧结气氛为氩气，制得具有致密连接层的碳化硅接头。

[0067] 上述制得的碳化硅接头，连接层厚度为70μm。在剪切强度测试中，室温下剪切强度‑9为130MPa，在1200℃高温下的剪切强度为150MPa。碳化硅接头的漏率为1×10 Pa·L/s。

[0068] 实施例6

[0069] 将金属Ti粉末(粒径为5μm，纯度为99.999％)和Si粉(粒径为1μm，纯度为99.999％)作为连接材料的原料，Ti和Si的摩尔比例为3：2；按照实施例1方法实现碳化硅的连接，其中烧结时，烧结温度为1550℃，保温2h，烧结气氛为氩气，制得具有致密连接层的碳化硅接头。

[0070] 上述制得的碳化硅接头，连接层厚度为50μm。在剪切强度测试中，室温下剪切强度‑10为150MPa，在1200℃高温下的剪切强度为160MPa。碳化硅接头的漏率为1×10 Pa·L/s。

[0071] 比较例1

[0072] 将金属Ti箔(厚度10μm，纯度99.99％)和Si粉(粒径为1μm，纯度为99.999％)作为连接材料的原料；将金属Ti箔用砂纸抛光后，将Si粉涂抹在金属Ti箔两侧，金属Ti箔和Si粉的摩尔比例为2：3，将以上金属Ti箔和Si粉置于碳化硅之间形成三明治结构。将以上三明治结构直接置于石墨坩埚中，再将石墨坩埚置于烧结炉中进行烧结连接。

[0073] 烧结时，以20℃/min升温至1500℃，保温1h，烧结气氛为真空。烧结后得到的碳化硅接头的电子扫描电镜图如图3所示。

[0074] 该碳化硅接头中，连接层厚度为60μm。从图3中可知，位于碳化硅之间的连接层几乎都呈现孔洞结构分布。对该碳化硅接头进行剪切强度测试，结果显示，室温下接头的剪切‑5强度低于5MPa；碳化硅接头漏气，气密性远低于1×10 Pa·L/s。

[0075] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。