一种适用于氧化物陶瓷钎焊的Sn-Sc钎料及制备方法

本发明属于钎焊，尤其涉及一种适用于氧化物陶瓷钎焊的sn-sc钎料及制备方法。

背景技术：

1、氧化物陶瓷材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等许多优异的理化性质，在当今新材料发展中扮演着重要的角色。但是，高硬度、高脆性使得陶瓷材料难以加工，使其应用受到限制。只有将塑性和韧性良好的金属与氧化物陶瓷连接起来,实现与金属性能上的互补,才能成为理想的工程材料,从而发挥氧化物陶瓷与金属各自的优良性能。钎焊技术是氧化物陶瓷与金属连接的首选方法，但因氧化物陶瓷材料物化性质有别于金属材料，难以被熔融金属润湿，而良好的润湿性却是保证获得优异钎焊接头的基础。润湿性的好坏通常用接触角θ的大小来判断，当θ＝0°时，熔融金属在陶瓷表面上完全润湿，在陶瓷表面完全铺展开来；当0°<θ<90°时，熔融金属可润湿固体，且θ越小，润湿性越好。

2、目前，氧化物陶瓷与金属连接主要以氧化铝、氧化钙、氧化硅、氧化锆等陶瓷为研究目标，采用活性钎料进行钎焊连接，如ag-cu-ti钎料、sn-ag-ti钎料、sn-ti钎料、cu-ti钎料等，虽然在这些钎料中引入了活性元素，使钎料合金能够润湿氧化物陶瓷，但仍未获得很好的润湿性，且单独添加ti作为活性金属的sn-ti钎料、cu-ti钎料在氧化物陶瓷表面连接强度相对较低，钎焊接头容易在金属陶瓷界面处剥离。另外，现在所用的钎料大多为三元或四元甚至更多元的活性钎料，如sn-ag-cu-ti钎料、ag-cu-sn-pd-ti钎料等，组成成分复杂，容易在钎焊过程中形成粗大脆性的金属间化合物(ag3sn、cu6sn5等)，难以保证良好的焊接接头，而且钎料中含贵金属量较多，使其制备成本高，其中一些钎料中还含有pd，易对技术人员和环境造成伤害。因此开发润湿性优良、组分简单且成本低廉、环保的锡基钎料，对于锡基材料的发展和应用有着至关重要的意义。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有钎料在某些氧化物陶瓷材料上表现出差的润湿性和粘附性，这可能导致连接质量不佳，且钎料组分复杂，易产生有害的物质，难以保证良好的钎焊接头。除此之外，一些钎料中含有较高含量的贵金属，使得钎料制备成本加大。这极大地制约了活性钎料的发展和应用。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于氧化物陶瓷钎焊的sn-sc钎料。

2、本发明是这样实现的，一种适用于氧化物陶瓷钎焊的sn-sc钎料，所述适用于氧化物陶瓷钎焊的sn-sc钎料的质量百分比的组分：98.5～99.23wt.％的sn，0.77～1.5wt.％的sc，总质量百分比含量之和为100％。

3、在上述设计的sn-sc钎料的质量百分比的组分范围内，本发明设计的钎料具有优异的润湿性。我们优选取了质量百分比为98.84％的sn,质量百分比为1.16％的sc的sn-sc钎料应用于氧化物陶瓷表面的润湿性表征及钎焊。

4、本发明的另一目的在于提供的上述sn-sc钎料合金的制备方法，包括如下步骤：

5、s1，配料：用电子分析天平按质量百分比，sn含量为98.84％，sc含量为1.16％，称取纯sn箔、纯sc颗粒作为原料；

6、s2，清洗：将配好的原料放入丙酮或者酒精溶液中用超声清洗多次，去除表面油渍和其它杂质，使用电吹风机将金属表面吹干；

7、s3，将s2中清洗吹干过的原料，用sn箔将sc颗粒包裹，备用；

8、s4，将s3中备用的原料置于真空电弧炉熔炼炉中进行真空熔炼，获得sn-sc钎料合金珠子，总质量约为0.2g。

9、进一步，所述s4中真空熔炼的方法包括：将s3中备用的珠子放置在真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，使用机械泵对电弧熔炼炉抽真空至10-3pa以下，充入高纯氩气(纯度大于99.999％)，调节电流大小，摆动钨极摇臂开始熔炼；首先熔炼预先放置在水冷锅中的钛珠以进一步去除炉内的氧化性杂质气体，反复多次后再对原料进行熔炼，待原料完全熔化后停止加热，然后随炉冷却，得到sn-sc钎料合金珠子。

10、本发明的另一目的在于提供一种上述sn-sc钎料在氧化物陶瓷表面润湿性测试的应用方法，具体包括：将制备得到的sn-sc钎料合金珠子，置于高温真空润湿炉内，采用改良座滴法在高温真空润湿炉内进行润湿实验，通过数据采集和处理系统，测量sn-sc钎料合金熔体在氧化物陶瓷基板表面的接触角及sn-sc钎料合金熔体的表面张力。

11、进一步，所述高温真空润湿炉包括炉体、加热系统、真空系统、滴落系统、数据采集和处理系统(配备激光背光、ccd高分辨率相机/cmos高速相机、计算机终端上的液滴形状分析软件)。

12、进一步，所述改良座滴法的过程如下：将陶瓷基板水平放置在真空室中，将合金样品储存在加热区外的石英储存管中；抽真空，当腔室中达到10-4pa的真空度时开始加热，并以25℃/min的速率升温，直到达到实验温度，将合金样品通过氧化铝滴管滴到基体表面上，保温30分钟；初始时刻定义为合金珠完全熔化并呈球形的时刻，利用背光投影技术实时监测和记录熔滴铺展过程；使用surfacemeter软件(osa60，nbsi，中国)并分析液滴轮廓，得到接触角及钎料sn-sc的表面张力；等温实验后，以高纯氩气为介质，快速冷却，直至液滴凝固，取出试样。

13、进一步地，所述表面张力，基于座滴法采用young-laplace方法拟合液滴轮廓计算而得。

14、进一步地，所述陶瓷基板为氧化钙陶瓷基板、氧化镁陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板、氧化钇陶瓷基板、氧化硅陶瓷基板、氧化锌陶瓷基板、氧化锆陶瓷基板及蓝宝石基板中的一种。

15、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

16、第一，本发明的sn-sc钎料成分简单，设计合理，少量稀土金属sc的加入能确保钎料与氧化物陶瓷表面更好的润湿，免于对氧化物陶瓷表面金属化处理，对设备要求较低。

17、本发明的sn-sc钎料由以下质量百分比组成：98.5～99.23wt.％的sn，0.77～1.5wt.％sc，在此配方范围的sn-sc钎料，钎焊时润湿性都有明显改善，经本发明的大量实验验证，质量百分比的组分为98.84wt.％sn和1.16wt.％sc的sn-sc钎料，润湿性显著提高。

18、本发明的sn-sc钎料熔点低，在快速冷却过程中钎料以液相形式存在，可以有效地缓释界面应力，以适应较快的冷却速率不开裂，例如氧化铝和铌酸锂陶瓷以50℃/min快速冷却未开裂，如附图12(b)所示的宏观形貌。

19、第二，将本发明的sn-sc钎料应用于氧化物陶瓷与金属的钎焊，钎料的制备过程简单，易于实现，钎料中虽然含有稀土金属sc，但含量相对较低，原材料成本不高，该钎料解决了氧化物陶瓷与金属钎焊过程中润湿性不足的问题。

20、第三，本发明的技术方案克服了一些技术偏见：

21、一些传统且成熟的钎料，如银钎料、含铅钎料，其中银钎料通常具有很高的熔点，需要高温来焊接，这可能导致热应力、变形和材料损伤的问题。相比之下，我们设计的sn-sc钎料通常具有较低的熔点，可以在较低的温度下进行焊接，因此能够减轻这些问题。而含铅钎料，因为铅的环境和健康风险而受到质疑。我们设计的sn-sc钎料不含铅，在环保方面具有很大的优势。除此之外，在一些应用中，需要连接多种不同类型的材料，如金属、陶瓷和玻璃。我们设计的sn-sc钎料通常可适用于金属与多种氧化物陶瓷材料的连接，因此在这些异种材料连接方面具有广泛的用途。

22、第四，本发明提供的sn-sc钎料可以用于氧化物陶瓷的钎焊。这种钎料的组成是由98.5～99.23wt.％的sn(锡)和0.77～1.5wt.％的sc(钪)组成的。这种新型钎料的显著技术进步可能包括以下几点：

23、1.优化的焊接性能：适当比例的sc(钪)可以改进锡的焊接性能。sc可能会增强钎料的湿润性，使其更容易与氧化物陶瓷表面接触和结合。

24、2.改进的机械性能：添加sc可能会提高钎焊接头的机械性能，如强度和硬度。

25、3.提高的耐腐蚀性：sc可能会增强钎料的耐腐蚀性，使其更适合在苛刻的环境中使用。

26、4.提高的热稳定性：sc的添加可能增强了sn-sc钎料的热稳定性，使其在高温环境中保持稳定。