一种用于SiC陶瓷材料连接的焊料及其制备方法和应用

本发明涉及陶瓷材料焊接，具体涉及一种用于sic陶瓷材料连接的焊料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、sic陶瓷材料具有优异的综合性能，包括优异的高温力学性能、硬度高、热膨胀系数小、优异的耐磨性、抗热震性能优异、抗辐照性能优异、抗蒸汽氧化性能优异。这些优异的性能使其在核结构材料和航空航天结构材料中具有极大的发展前景。然而sic陶瓷材料本身所具有的高脆性、低延展性、制备工艺特殊、加工性能差导致其难以制备大尺寸或结构复杂的零部件，通常只能制造管、片、块等简单形状。sic陶瓷材料的这一劣势极大程度的限制了sic陶瓷材料的工程化应用，因此现阶段急需发展sic陶瓷材料的连接技术。sic陶瓷材料本身高共价的性质和sic低自扩散性使其无法通过熔焊的方式进行连接。为了满足sic陶瓷材料的高温应用因此需要制备可以抵抗高温恶劣环境的连接接头。

2、近年来开发的sic陶瓷材料的连接技术主要有金属固态扩散连接、max相连接、玻璃连接、聚合物先驱体连接、金属钎焊连接、si-c反应连接和nite相连接。金属固态扩散连接、max相连接和金属钎焊连接通常所使用的填充材料往往与sic连接母材的热膨胀系数和弹性模量差异显著因此往往会产生由热引起的残余应力导致连接接头强度下降。玻璃连接由于玻璃相中存在适中的软化温度使其不适合高温应用。聚合物先驱体连接所制备的连接接头强度往往较低，因此也不适合高温应用。si-c反应连接所制备的连接接头是通过在连接过程中的si与c反应生成sic，然而这种反应是不能完全发生的，连接接头中往往会存在残余的si，这会影响连接接头在高温条件下的使用。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的不足，本发明主要解决现有sic陶瓷材料连接技术所制备的连接接头力学性能低和不能在高温恶劣环境中长期稳定服役的技术问题。本发明提供一种用于sic陶瓷材料连接的焊料及其制备方法和应用。本发明所使用的填充材料主要由sic构成其与连接母材的物性具有极高的相似性，制备的连接接头强度高、抗辐照性能优异、抗热冲击性能优异十分适合于高温条件下的应用。

2、本发明第一个目的是提供一种用于sic陶瓷材料连接的焊料，所述焊料原料包括以下质量分数的组分：5%-20%的烧结助剂粉，其余为碳化硅粉，合计100%；

3、其中，所述烧结助剂粉包括al2o3、y2o3、ceo2、mgo中的至少两种。

4、优选的，所述碳化硅粉粒径＜50nm；所述al2o3粉粒径＜50nm，y2o3粉粒径＜50nm，ceo2粉粒径为20~50nm，mgo粉粒径＜50nm。

5、优选的，所述烧结助剂粉包括摩尔百分比为65~85%的al2o3和15~35%的y2o3，合计100%。

6、优选的，所述烧结助剂粉包括摩尔百分比为45%~55%的al2o3，10%~20%的y2o3和25%~35%的ceo2，合计100%。

7、优选的，所述烧结助剂粉包括摩尔百分比为65%~75%的al2o3，15%~25%的y2o3和25%~35%的mgo，合计100%。

8、本发明第二个目的是提供一种用于sic陶瓷材料连接的焊料的制备方法，包括以下步骤：

9、将烧结助剂粉和碳化硅粉混合，并进行研磨，获得焊料粉末；

10、在焊料粉末中加入无水乙醇、蓖麻油磷酸酯和聚乙烯醇缩丁醛进行搅拌混合，得到焊料。

11、优选的，所述焊料粉末、无水乙醇、蓖麻油磷酸酯和聚乙烯醇缩丁醛的质量比为（45~55）:（35~45）:（4.5~6.5）：（1.5~3.5）。

12、本发明第三个目的是提供一种焊料在sic陶瓷材料连接中的应用。

13、本发明第四个目的是提供一种sic陶瓷材料的连接方法，包括以下步骤：

14、将待连接的两块sic陶瓷材料片的连接表面进行预处理；

15、在一块sic陶瓷材料片表面上均匀涂抹所述的焊料，将另一块sic陶瓷材料片的待连接表面，水平覆盖在涂抹焊料的陶瓷材料的表面上，获得待焊的连接装配体；

16、使用石墨夹具对待焊的连接装配体进行固定；

17、在氩气环境下，将待焊的连接装配体，于400~600℃，保温15~60min，随后阶梯升温至1650-1850℃，保温30-180min，即得sic陶瓷材料连接成品。

18、优选的，所述预处理，包括：

19、将sic陶瓷材料片的连接表面进行抛光预处理具体为依次使用220目、500目、1200目水溶性砂纸对sic陶瓷材料片待连接表面进行抛光处理，并依次放入丙酮、无水乙醇以及去离子水中进行超声清洗，随后在烘箱中进行烘干处理。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

21、本发明提供了一种用于sic陶瓷材料连接的焊料及其制备方法和应用；该焊料包括质量百分比为5%-20%的烧结助剂粉，其余为碳化硅粉，所述烧结助剂粉包括3类，第一类为摩尔百分比为65-85%的al2o3和15-35%的y2o3。第二类为摩尔百分比为45%-55%的al2o3，10%-20%的y2o3和25%-35%的ceo2。第三类为摩尔百分比为65%-75%的al2o3，15%-25%的y2o3和25%-35%的mgo。该焊料所制备的连接接头主要成分是sic，其与母材具有极高的相似性与相容性，具有相似热膨胀系数、化学相容性。此外以sic为主相的连接层通常具有与母材近乎相同的服役强度。使用的氧化物烧结助剂极大程度的促进连接层的致密化，也在一定程度上降低了连接温度。

22、本发明提供的焊料本质是在连接母材之间形成sic陶瓷连接层，从而使待连接的两块sic陶瓷形成一个整体，最终达到连接的效果。sic陶瓷连接层的形成是依靠连接层中加入的低含量氧化物烧结助剂，连接起始时焊料中的氧化物烧结助剂与sic颗粒紧密接触，当温度升高至氧化物烧结助剂液相点时，烧结助剂内部开始出现液相，当温度进一步升高，晶粒尺寸较小的sic最先开始在液相中溶解，随着保温时间的持续，高温下低粘度的液相流动加剧，sic晶粒之间的孔隙被液相基本完全填充。当保温时间结束，冷却开始时，sic逐渐析出，液相烧结助剂在晶间形成稳定的二次相晶体，最终制备出含有少量晶间二次相的sic陶瓷连接层。此种连接层与连接母材相比除了包含少量由烧结助剂形成的晶间二次相，本质上都是sic陶瓷，因此该连接层与母材有着极好的物理化学相容性，一定程度上保证了连接强度。

23、本发明用于sic陶瓷材料的连接方法，通过滚筒球磨的方式制备用于sic陶瓷材料连接的焊料粉末，并添加一定的粘接剂、溶剂、分散剂制备出了可以应用的焊料。现阶段，使用sic粉料和烧结助剂作为焊料的nite相连接技术通常需采用放电等离子烧结炉（sps）或热压烧结炉等需要外界设备额外加压的方式进行连接，这种连接方式所需设备复杂，极大程度的限制了该连接技术的工程化应用。本发明使用目前工业上已有的成熟设备技术真空烧结炉进行连接，无需额外的设备加压，仅需通过石墨夹具对连接装配体施加一定的预紧力即可实现连接，避免了连接过程中的设备施加的高压力对母材的损害，极大的提高了该连接技术的工程化应用，无需考虑母材的尺寸外形，整个连接过程所需的设备技术简单。本发明所制备的连接接头抗剪强度可以达到100mpa左右，力学性能优异。