劉少飛，李星洲，?？烧?/p>

(1．長(zhǎng)安大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710064;2．西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 前言

為了改善金屬與陶瓷之間的潤(rùn)濕性，一般先對(duì)陶瓷顆粒表面采取預(yù)處理措施，陶瓷顆粒表面預(yù)處理有以下兩個(gè)作用:一是增加固體粒子的總體表面能;二是減小或消除陶瓷顆粒表面吸附雜質(zhì)和氣體，進(jìn)而提高陶瓷與金屬液之間的潤(rùn)濕性［1］?？紤]其他預(yù)處理方法在成本、工藝上的復(fù)雜性，日常生產(chǎn)中常用表面化學(xué)鍍層的工藝方法。目前，對(duì)Al2O3陶瓷常用鍍銅和鍍鎳工藝。

本實(shí)驗(yàn)采用的陶瓷為Al2O3陶瓷，合金為高鉻鑄鐵，對(duì)Al2O3陶瓷表面進(jìn)行處理，通過(guò)改變接觸界面來(lái)改善Al2O3陶瓷與高鉻鑄鐵之間的潤(rùn)濕性，進(jìn)而減小Al2O3陶瓷和高鉻鑄鐵之間的潤(rùn)濕角?；瘜W(xué)鍍銅前，要對(duì)陶瓷表面進(jìn)行預(yù)處理，主要包括清洗、粗化、敏化三步。超聲波清洗以除去材料表面的油污和雜質(zhì);粗化的目的是改變基體表面形貌，增大基片表面粗糙度，以提高結(jié)合強(qiáng)度;而活化過(guò)程是為了在基體表面吸附一層催化薄膜，誘導(dǎo)、加速化學(xué)鍍沉積反應(yīng)的進(jìn)行［2］。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 氧化鋁陶瓷的制作

實(shí)驗(yàn)所用陶瓷為固溶度50%的氧化鋁陶瓷，該陶瓷試樣通過(guò)濕法制得，其制備配方見(jiàn)表1、2所示。

表1 配方1Table 1 Formula 1

表2 配方2Table 2 Formula 2

氧化鋁陶瓷燒結(jié)過(guò)程如圖1所示 (高溫?zé)崽幚頎t內(nèi)加熱)。

圖1 陶瓷燒結(jié)階段圖Fig.1 Section of ceramic post sintering

經(jīng)過(guò)制坯、燒結(jié)、研磨階段，得到固溶度50%的Al2O3陶瓷。

1.2 化學(xué)鍍銅

在Al2O3陶瓷進(jìn)行化學(xué)鍍銅之前，首先要采取表面預(yù)處理措施，主要包括清洗、粗化、敏化三步。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的陶瓷基片，再放入含銅的鍍液中施鍍，化學(xué)鍍銅的具體工藝步驟及鍍液配方分別見(jiàn)表 3、4［3］:

表3 化學(xué)鍍銅預(yù)處理步驟Table 3 Pretreatment steps of chemical Cu-plating

1.3 潤(rùn)濕角的測(cè)量

高鉻鑄鐵與陶瓷之間潤(rùn)濕角的大小可以衡量二者之間潤(rùn)濕性的好壞，潤(rùn)濕角愈大，潤(rùn)濕性愈差，反之潤(rùn)濕性愈好。測(cè)量潤(rùn)濕角采用座滴法模型，模型如圖2，將高鉻鑄鐵加熱至1600℃，鑄鐵熔化后控制液滴質(zhì)量小于等于0.25 g［4］，滴在已化學(xué)鍍銅的Al2O3陶瓷試樣上，測(cè)量二者之間潤(rùn)濕角。

表4 化學(xué)鍍銅銅液Table 4 Copper liquid for chemical Cu-plating

圖2 座滴法模型示意圖Fig.2 Model for sessile drop method

2 結(jié)果與討論

2.1 陶瓷試樣的宏觀照片及結(jié)果分析

與圖3未做任何化學(xué)處理的Al2O3陶瓷試樣相比，圖4可以看到鍍銅后的Al2O3陶瓷試樣存在明顯的粗化痕跡，陶瓷表面出現(xiàn)小凹坑，這些凹坑能夠保障后期金屬－陶瓷之間更好的結(jié)合，進(jìn)而減小二者之間的潤(rùn)濕角。鍍銅后Al2O3陶瓷片的顏色呈褐紅色，但放置一段時(shí)間后由于受到空氣氧化，有一部分發(fā)生反應(yīng)生成了一層氧化銅，因而表面略顯黑色。

圖3 未經(jīng)化學(xué)處理Al2O3陶瓷試樣Fig.3 Al2O3ceramic sample before chemical treatment

圖4 鍍銅后Al2O3陶瓷試樣Fig.4 Al2O3ceramic sample after copper plating

2.2 潤(rùn)濕結(jié)果及分析

在將高鉻鑄鐵熔液滴至陶瓷片上時(shí)，需要控制金屬熔液的質(zhì)量，一般將液滴控制在0.25 g的范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液滴質(zhì)量控制不好，可能會(huì)導(dǎo)致陶瓷試樣發(fā)生破碎;控制得當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)較規(guī)則的潤(rùn)濕角，容易測(cè)量。

2.2.1 碎裂形貌分析

在將熔化的高鉻鑄鐵金屬液滴在未做任何處理的陶瓷試樣表面的一瞬間，陶瓷試樣發(fā)生了如圖5的破碎現(xiàn)象，分析其原因，主要由以下兩方面。

圖5 破碎的陶瓷Fig.5 Cracked ceramic

一是金屬、陶瓷二者的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)差異的影響。一般來(lái)說(shuō)，陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)相差很大，在高溫條件下二者之間會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)相差越小，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越小，連接面的的強(qiáng)度越高［5］。在20℃時(shí)，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為36～54 W/(m·K)，陶瓷為0.7～1.16 W/(m·K)之間。隨溫度的升高，兩者的導(dǎo)熱系數(shù)呈不同的變化趨勢(shì)，但在1350℃時(shí)，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)仍是比陶瓷大得多。鋼的熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高而增大，Al2O3陶瓷在150～1050℃范圍內(nèi)，平均線膨脹系數(shù)為(7.85±0．02) ×10－6/℃，且隨著溫度升高，其瞬態(tài)線膨脹系數(shù)不斷減小。

二是熱沖擊的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，Al2O3陶瓷處于室溫狀態(tài)，而高鉻鑄鐵熔液溫度在1600℃左右，巨大的溫度差使得Al2O3陶瓷受到了急熱沖擊的影響，二者之間產(chǎn)生了比較大的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力使Al2O3陶瓷發(fā)生破碎。

2.2.2 潤(rùn)濕角分析

鍍Cu的AI2O3表面上高鉻鑄鐵滴液如圖6所示。對(duì)圖7進(jìn)行分析，可以明顯看出，高鉻鑄鐵滴在鍍銅的氧化鋁陶瓷表面的潤(rùn)濕角較小，對(duì)該結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)化后可以較精確測(cè)量出二者之間的潤(rùn)濕角，如圖所標(biāo)注48°，潤(rùn)濕性較好。而據(jù)文獻(xiàn)記載［6］，Al2O3陶瓷與鐵之間的潤(rùn)濕角為140°左右，與耐熱鋼之間的潤(rùn)濕角為92°，耐熱鋼中含Cr量為24.5%，而實(shí)驗(yàn)所用的高鉻鑄鐵含Cr量?jī)H為15%左右，由于合金元素對(duì)金屬－陶瓷的潤(rùn)濕性有改善作用，故高鉻鑄鐵與陶瓷的潤(rùn)濕角大于92°，由此我們可以得出結(jié)論，化學(xué)鍍銅能夠較明顯的改善金屬－陶瓷之間的潤(rùn)濕性。

3 結(jié)論

(1)效仿座滴法模型，測(cè)出高鉻鑄鐵與鍍銅后的Al2O3陶瓷之間的潤(rùn)濕角約48°，潤(rùn)濕角較小，說(shuō)明經(jīng)鍍銅處理Al2O3陶瓷與高鉻鑄鐵之間的潤(rùn)濕性得到了明顯改善。

(2)熔化的高鉻鑄鐵金屬液滴落在未處理的陶瓷試樣表面的一瞬間，Al2O3陶瓷試樣容易發(fā)生破碎，造成這種現(xiàn)象的原因有以下兩方面:一是二者熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)差異較大;二是巨大熱沖擊力的影響。

(3)通過(guò)濕法可以制備出固溶度為50%的Al2O3陶瓷。

［1］ 孫墨漢，牛建平．改善陶瓷顆粒/金屬基體潤(rùn)濕性的方法［J］．沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，75．

［2］ 李志勇，穆道彬，馬營(yíng)生．提高Al2O3陶瓷表面化學(xué)鍍 Cu層結(jié)合力的研究 ［J］．材料保護(hù)，1999(8)．

［3］ 夏章能，徐潔．AlN陶瓷表面化學(xué)鍍Ni－P合金［J］．材料保護(hù)，1998，31(6):19－21

［4］ 任家烈，吳愛(ài)萍，彭真山等．Al及其合金作為釬料或中間層連接陶瓷 －金屬 ［J］．材料學(xué)報(bào)，1999，13(2):16－21．

［5］ 胡信國(guó)，張欽京．化學(xué)鍍鎳技術(shù)的新進(jìn)展．新技術(shù)新工藝 ［J］．材料與表面處理，2001(2):35－37．

［6］ 王恩澤，忘恩萬(wàn)，邢建東．涂層對(duì)氧化鋁/耐熱鋼液間潤(rùn)濕角的影響及其應(yīng)用［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34(11):79－81．