[发明专利]一种金属与陶瓷连接体及其连接方法

说明书

本发明公开了一种金属与陶瓷连接体及其连接方法，属于金属与陶瓷连接领域，所述金属与陶瓷连接体为三明治层状结构，陶瓷被包覆在金属内部，所述连接方法首先将陶瓷进行高温氧化，对表面氧化的陶瓷片进行合金真空浇铸，最后对浇筑后的层状复合材料夹持热处理，使得片状陶瓷与金属之间产生冶金结合。本发明利用金属和陶瓷之间热膨胀系数的差异以及晶格差异所产生的界面压应力，对陶瓷进行了封装和束缚，提高其力学性能，防止陶瓷在断裂时发生迸溅。

技术领域

本发明涉及陶瓷-金属连接技术领域，特别是涉及一种金属与陶瓷连接体及其连接方法。

背景技术

工程陶瓷是高性能结构材料，但陶瓷件塑性差、不耐冲击，使其应用受到限制。金属则具有高强度、延展性和耐高温等性能，但有时刚度较低。将金属与陶瓷结合起来，成为理想的复合材料，从而发挥陶瓷与金属各自的优良性能。因此，一些陶瓷和金属的连接技术得到了发展，如固相键合、钎焊、前驱体聚合物连接、陶瓷粉体与金属浇铸复合以及玻璃氧化物连接和扩散结合等。

目前常通过金属浇铸多孔陶瓷，将增强材料(例如SiC)和缓冲材料(例如Al)粘结在一起，多孔不利于金属的流动填充，界面处存在大量空隙或气孔，使得多孔陶瓷金属复合材料强度明显低于块体陶瓷。而采用块体陶瓷和金属进行连接，由于材料的热学性能和机械性能的差异，在制造期间以及在随后的热处理，会在界面处产生残余应力。但当材料发生弯曲时，首先要平衡材料中的残余压应力，故达到断裂的最大挠度需要更大的力，这进一步证明材料中表层残余压应力对材料的常规力学性能有着显著的影响。由于该应力作用在二者的结合界面处，对于界面的稳定性有较高的要求，简单的界面机械结合在材料受力后残余应力会立刻释放。同时过大的残余应力会引起应力集中，导致界面连接断裂，并可能导致陶瓷内部开裂。只有解决了金属和陶瓷界面的冶金结合问题，块状陶瓷金属复合材料强度才会得以提高。对于目前几种连接方法来说，无论是固相键合、钎焊，还是其他几种连接方法，过程都较为复杂，界面结合性能较差。

发明内容

本发明针对以上问题，设计了一种简易实用且操作简单并能够连接陶瓷(尤其是SiC、B₄C和BN片状陶瓷)和金属(尤其是Al合金)的方法及其连接体。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种金属与陶瓷连接体，所述金属与陶瓷连接体为三明治层状结构，陶瓷被包覆在金属内部。

本发明还提供所述的金属与陶瓷连接体的连接方法，包括以下步骤：对陶瓷进行预处理，在陶瓷表层生成氧化层，以陶瓷表层生成的氧化层作为过渡层，进行合金浇铸，然后进行夹持热处理。

进一步地，所述陶瓷包括SiC、B₄C以及BN三种陶瓷。

进一步地，所述预处理过程包括将陶瓷在400℃-1400℃的氧化性气体气氛中保温5-20h，在陶瓷表层生成氧化层。优选在高温炉中，氧气气氛中对陶瓷进行表面氧化，氧气流量为100ml-500ml/min。生成氧化层之前，使用丙酮溶液对陶瓷进行超声清洗，去除陶瓷表面油性。然后使用氢氟酸清洗，将陶瓷表面喷砂(10-20目白刚玉，喷砂0.8MPa)粗糙化，去除表面附着的刚玉，然后对粗糙的陶瓷表面进行表面氧化。

进一步地，所述氧化层的厚度1-10μm。

进一步地，采用真空浇筑的方式对含有氧化层的陶瓷进行浇铸，浇铸液为Al-Mg-Si-Ni合金液，浇铸温度为700℃。

进一步地，所述Al-Mg-Si-Ni合金液中Mg含量在1-5wt％，Si含量在5-10wt％，Ni含量在1-5wt％，余量为Al。所述Al-Mg-Si-Ni合金液为将各原料混合后，在真空环境中进行Al-Mg-Si-Ni合金熔炼，熔炼时间为0.5h。