论文部分内容阅读
掺杂3%molY2O3的ZrO2陶瓷作为一种固态电解质材料，具有良好的强度及高温导电性等优良特性，被广泛应用于工程技术的各个领域。但其塑性较差、难以加工成型，使其单独用作复杂形状结构件的前景受到了限制，通过金属和陶瓷之间的连接可以克服上述缺点。氧化锆与金属的连接在氧传感器、微电子机械制造系统和仪表微型设备、电子封装等室温或低温领域有良好的应用前景。在连接金属和陶瓷的方法中，钎焊因工艺简单、连接强度高、可靠性好等优点，目前被研究和应用最多。为了解决钎料金属与被连接陶瓷不润湿的问题，传统钎焊方法都是使用活性钎焊来解决的，其中最具代表性的就是加入2–5wt.%Ti的Ag-Cu钎料，但是该钎料含有60–70wt.%的贵金属Ag，使得工程应用成本大幅提高，限制了其使用价值。本文中我们选取了Sn-Ag-Cu钎料这一中低温、贵金属Ag含量较少的钎料，通过对Sn-Ag-Cu/ZrO2-3%molY2O3外加直流电的方式显著地改善了钎料熔体在氧化锆陶瓷上的润湿性，并在此基础上用通电方法实现了金属Ni与氧化锆陶瓷之间的钎焊连接，获得了力学性能良好的接头。通过对钎焊工艺参数、微观结构和力学性能的研究，建立起三者之间的联系。本文的主要研究成果如下：(1)不通电时，Sn-Ag-Cu钎料在氧化锆陶瓷上不润湿。通电(电流从ZrO2流向Sn-Ag-Cu)可以显著促进润湿，且温度和电流强度都对润湿性有着显著的影响。揭示了通电促进润湿的机理主要是由于在通电的过程中Sn-Ag-Cu/ZrO2界面处的ZrO2陶瓷失氧引起。对于Sn-3.0Ag-0.5Cu/ZrO2-3%molY2O3体系来说，润湿性对温度有明显的依赖性，只有在温度高于723K的时候体系才能润湿，这与ZrO2陶瓷的导电能力有关。(2)通电(电流方向由ZrO2流向金属Ni)下可以用Sn-Ag-Cu这一不含活性组元的钎料实现金属Ni和ZrO2之间的钎焊连接，并得到力学性能良好的焊接接头。对于Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/ZrO2接头来说，温度对接头的剪切强度影响最显著；对于Ni/Sn-49.9Ag-19.6Cu/ZrO2接头，通电时间对接头剪切强度的影响最显著。通过微观结构的观察表明Sn-Ag-Cu/ZrO2界面处是否有Zr的扩散是决定接头强度的关键因素，在界面处有Zr的扩散就会显著提高接头的剪切强度，过量的Zr扩散对剪切强度的影响不显著。(3)钎料自身强度对接头的剪切强度也有影响，对于Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-22.1Ag-7.1Cu和Sn-49.9Ag-19.6Cu三种钎料来说，用Sn-49.9Ag-19.6Cu钎料得到Ni/ZrO2接头的剪切强度最大。Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/ZrO2体系的最佳工艺参数是温度为1073K，电流强度为10mA，通电时间为10min，此时钎焊接头剪切强度为43±4MPa；Ni/Sn-49.9Ag-19.6Cu/ZrO2体系的最佳工艺参数是温度为973K，电流强度为10mA，通电时间为30min，冷却速度为5K/min，此时钎焊接头剪切强度为147±9MPa。