超聲輔助連接氧化鋁陶瓷界面潤濕機(jī)制及性能研究.pdf

1、藍(lán)寶石單晶具備高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、導(dǎo)熱性良好及光透過率高等特性，因此在微電子、光電行業(yè)、半導(dǎo)體、航空航天等工業(yè)上常作為襯底材料或窗口材料。但由于大尺寸藍(lán)寶石一次成型的難度較大，其本身具備的塑性較差，因而藍(lán)寶石在大尺寸構(gòu)件及形狀要求復(fù)雜的領(lǐng)域上的應(yīng)用受到了限制。解決此問題的方法之一就是采用焊接與連接的方法將小尺寸的藍(lán)寶石連接起來，根據(jù)需求制成不同形狀的藍(lán)寶石連接件。基于此，本文以藍(lán)寶石單晶作為研究對象，提出在大氣環(huán)境下

2、能有效快速成形的超聲波輔助釬焊方法，通過自行搭建的簡易超聲連接平臺，系統(tǒng)的研究了超聲輔助釬焊藍(lán)寶石的可行性、不同超聲工藝參數(shù)對接頭性能的影響規(guī)律、超聲對焊縫組織的作用機(jī)理以及接頭組織形貌的演變過程等。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，在大氣環(huán)境下，使用Al及Al-12Si（wt.％）釬料在超聲輔助的作用下能實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石之間的快速、可靠連接。在一定范圍內(nèi)，接頭的剪切強(qiáng)度隨著超聲作用時間和超聲功率的增加而增強(qiáng)，這是因?yàn)閮烧叩奶岣吣苡行Ц纳柒F料在陶瓷表

3、面的潤濕，減少接頭中氣孔等缺陷的產(chǎn)生，增強(qiáng)了界面化學(xué)反應(yīng)。但當(dāng)超聲作用時間過長（≥60s）及超聲功率過大（≥300W）時，接頭強(qiáng)度反而有所減小。研究發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象是由于在溫度較高的條件下，長時間高功率的超聲作用會對藍(lán)寶石基體產(chǎn)生損傷，并誘發(fā)微裂紋。Al作為釬料，超聲時間為5s-60s時，接頭最大剪切強(qiáng)度為60.14MPa。Al-12Si合金作為釬料時，超聲時間為25s時接頭剪切強(qiáng)度達(dá)最大值，為102.22MPa。
　　藍(lán)寶石在大氣環(huán)

4、境下能夠?qū)崿F(xiàn)可靠連接的關(guān)鍵在于功率超聲的空化效應(yīng)與聲流作用。借助超聲空化，釬料表面的氧化膜被打碎并隨聲流移除，從而在藍(lán)寶石表面實(shí)現(xiàn)良好的鋪展和潤濕，同時超聲促進(jìn)藍(lán)寶石表面氧化鋁外延生長，促進(jìn)反應(yīng)潤濕的發(fā)生。超聲促進(jìn)熔融釬料對基體材料產(chǎn)生侵蝕作用，大量的基體氧化鋁顆粒擴(kuò)散進(jìn)入焊縫，在界面處形成榫形結(jié)構(gòu)。此外，Al-12Si作為釬料時，超聲誘導(dǎo)焊縫內(nèi)元素再分布，在界面處形成Al-Si-O三元相，在接頭三維空間中形成自支撐結(jié)構(gòu)。超聲促使剝落的