蓝宝石连接性能研究

论文摘要

蓝宝石（α-Al2O3单晶）强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀、耐磨性好、摩擦系数小、电阻率高,而且还具有良好的热传导性和电气绝缘性,最关键的是蓝宝石在可见光和MWIR波段具有良好的透光性,被认为是红外军事装备、卫星光学窗口的理想材料。新的高性能光学系统窗口尺寸远远超过人工生长的最大蓝宝石。为满足这种需求,需要发展一种低成本的边缘连接工艺,从较小熔体生长的坯料生产大面积的蓝宝石窗口。本文采用玻璃钎焊法和反应烧结法两种工艺进行蓝宝石的连接。研究了连接工艺、焊料成分对接头显微结构和连接性能的影响,利用SEM、EDS等分析手段对接头界面结构进行了研究。采用玻璃钎焊法,用MAS焊料钎焊连接蓝宝石。实验表明接头强度随钎焊温度的升高而降低,随保温时间的增加先升后降。最佳工艺参数为:P=1MPa , T=1550℃, t=30min ,在此条件下接头的四点弯曲强度为129MPa。观察接头微观形貌后发现有微裂纹产生,这是由蓝宝石与焊料热膨胀系数的差异和蓝宝石本身热膨胀系数的各向异性造成的应力集中引起的。微裂纹的存在是导致连接强度降低的主要原因。采用反应烧结法,用Al2O3系无机焊料反应烧结连接蓝宝石。结果表明用纯Al2O3粉末连接蓝宝石,结合层内焊料呈不连续分布,且存在大量孔洞和气孔等缺陷,致密性较差,而且烧结不完全。连接强度最高达193MPa。而在Al2O3粉末中加入添加剂（SiO2和MgO）进行连接时,接头组织得到显著改善,大缺陷明显减少,焊料层较致密。连接界面处的润湿情况良好,有明显的反应层。连接强度最高达224MPa。连接时添加剂的加入产生了液相,促进了焊料烧结,并增加了母材的润湿性,因此促进了界面结合,显著提高了蓝宝石的连接强度。反应烧结连接蓝宝石,界面连接良好,可以解决焊料对母材的润湿性、接头的残余应力和耐高温性的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 蓝宝石及其应用
• 1.2.1 蓝宝石的结构
• 1.2.2 蓝宝石的人工生长
• 1.2.3 蓝宝石的性能
• 1.3 陶瓷连接技术的发展概况
• 1.3.1 陶瓷的钎焊连接
• 1.3.2 扩散连接
• 1.3.3 过渡液相连接
• 1.3.4 热压反应烧结连接
• 1.4 蓝宝石的连接技术
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 实验材料和方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 试样的制备
• 2.3 实验设备
• 2.4 实验过程
• 2.4.1 试样表面清理
• 2.4.2 中间层粉末制备
• 2.4.3 试样组装
• 2.4.4 连接工艺
• 2.5 性能测试及微观分析
• 2.5.1 强度测试
• 2.5.2 微观分析
• 第3章 用MAS玻璃钎焊连接蓝宝石
• 3.1 引言
• 3.2 蓝宝石基本性质及连接性分析
• 3.2.1 蓝宝石的物理性质
• 3.2.2 蓝宝石的化学性质
• 3.2.3 蓝宝石的力学性能
• 3.2.4 蓝宝石钎焊性综合分析
• 3.3 蓝宝石/MAS/蓝宝石接头的界面分析
• 3.4 钎焊温度对接头组织与性能的影响
• 3.4.1 钎焊温度对接头组织的影响
• 3.4.2 钎焊温度对接头性能的影响
• 3.5 保温时间对接头组织与性能的影响
• 3.5.1 保温时间对接头组织的影响
• 3.5.2 保温时间对接头性能的影响
• 3.6 接头的断裂行为
• 3.6.1 接头的断口形貌
• 3.6.2 接头的断裂行为
• 3.7 本章小结
• 2O₃系无机焊料反应烧结连接蓝宝石'>第4章 用Al₂O₃系无机焊料反应烧结连接蓝宝石
• 4.1 引言
• 2O₃ 粉末中间层的连接'>4.2 纯Al₂O₃粉末中间层的连接
• 2O₃+3SiO₂+0.5MgO粉末中间层的连接'>4.3 Al₂O₃+3SiO₂+0.5MgO粉末中间层的连接
• 2O₃+1SiO₂+0.5MgO粉末中间层的连接'>4.4 Al₂O₃+1SiO₂+0.5MgO粉末中间层的连接
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢