编号：CYYJ043948
篇名： B2O3-Al2O3-MgO-SiO2微晶玻璃连接Al2O3陶瓷接头组织与性能研究
作者： 何晨杰
关键词： Al2O3陶瓷连接; 微晶玻璃焊料; 连接工艺; MgO/SiO2;
机构：中国地质大学(北京)
摘要： Al2O3陶瓷具有优异的物理和化学性能,在微电子、生物医疗、化工等领域受到广泛关注。然而其不良的切削加工性能限制了大型Al2O3陶瓷和复杂结构Al2O3陶瓷的生产和使用。应用陶瓷连接技术可以有效的解决这一难题。针对现阶段Al2O3陶瓷连接技术无法满足高强度、低能耗的问题,本课题采用B2O3、Al2O3、MgO、SiO2混合粉末作为焊料,硅酸钠溶胶作为粘结剂对Al2O3陶瓷进行了连接。通过TG/DSC同步热分析仪（DSC）对氧化物焊料的热力学性能进行了表征,确定了焊料的使用温度范围。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）等对接头的相结构,微观组织形貌进行了分析并阐述了接头中各物相的形成机理。采用电子万能试验机结合本课题设计的剪切强度测试模具,对接头的力学性能进行了表征并分析了断裂机理。 在1100-1200℃对Al2O3陶瓷进行了连接,探究了连接温度对接头的影响。各连接温度所得接头的结构均为Al2O3/MgAl2O4/Al18B4O33+玻璃相/MgAl2O4/Al2O3。Al18B4O33晶须在接头中有两种存在形式。第一种原位生长于Al2O3陶瓷表面,第二种在玻璃区生成。所有连接温度得到的接头界面均产生了MgAl2O4反应层。连接温度对Ⅰ型晶须无明显影响,但会改变Ⅱ型晶须的尺寸。1150℃之前,Ⅱ型晶须尺寸随连接温度的升高而增大,在1150℃达到最大尺寸后不再变化,在1200℃出现了晶须团聚。MgAl2O4反应层厚度随连接温度的升高而增大,但1150℃后增大趋势变缓。1150℃所得接头具有最佳的剪切强度45.3 MPa。 采用不同MgO/SiO2的BAMS焊料对Al2O3陶瓷进行了连接,探究了MgO/SiO2对接头的影响。M10和M15焊料所得接头的结构相同,为Al2O3/Al18B4O33+玻璃相/Al2O3。M20和M25焊料所得接头结构相同,为Al2O3/MgAl2O4/Al18B4O33+玻璃相/MgAl2O4/Al2O3。M30焊料所得接头结构为Al2O4/MgAl2O4/玻璃/MgAl2O4/Al2O4。MgAl2O4的尺寸均随MgO/SiO2升高而上升。两类型晶须均在M25焊料所得接头中达到最大尺寸并于M30焊料所得接头中消失。随着MgO/SiO2升高,接头的断裂形式由A类断裂变为B类断裂,剪切强度先升高后下降最后稳定在45 MPa左右。M20焊料所得接头具有最高的剪切强度79.6 MPa。 分别采用保温时间为1 h、2 h和3 h的连接工艺对Al2O3陶瓷进行了连接,所得接头中均存在Al18B4O33和玻璃相。当保温时间大于等于2 h时,接头中开始出现MgAl2O4区。保温时间的延长未对Al18B4O33晶须产生影响但有利于MgAl2O4的生成和长大。接头的剪切强度随保温时间的增加先上升后下降,断裂形式由Al2O3/玻璃相界面断裂变成A类断裂,最后变成Al2O3/MgAl2O4界面断裂。保温时间2 h所得接头具有最佳力学性能。