تحقیق مقاله روند اتصال بین دوماده سرامیکی و اتصال بین یک ماده سرامیکی با فلز

چکیده :

در این مجموعه روند اتصال بین دوماده سرامیکی و  اتصال بین یک ماده سرامیکی با فلز بررسی می‌شود. در ابتدا اتصال بین سرامیک با فلز بررسی می‌شود که این اتصال نیازمند متالیزه کردن یا فلزی کردن سطح سرامیک می‌باشد چرا که با این کار  جذب و چسبندگی فلز به سرامیک بهتر انجام می‌شود. ابتدا فرایند متالیزه کردن توضیح داده می‌شود و بعد انواع تکنیکهای آن که عبارتند از 1- تکنیک پودر فلز زینتر شده  2-  تکنیک نمک فلز نسوز 3-  تکنیک پودر شیشه / فلز 4- روش رسوب دادن بخار

بعد از متالیزه کردن اتصال سرامیک به فلز با استفاده از فاز جامد و فاز مایع توضیح داده می‌شود. اتصال در دوفاز جامد دو قسمت دارد 1- اتصال پرس گرم 2- اتصال بوسیله باند دیفوزیونی و اتصال با استفاده از فاز مایع نیزدو قسمت دارد 1- لحیم‌کاری 2- جوشکاری (Brazing) درفصل بعد اتصال سرامیکهای اکسیدی با استفاده از شیشه مورد بحث قرار می‌گیرد. و در این مورد مقاله‌ای درباره اتصال آلوسینا به یک کامپوزیت عنوان می‌شود. اتصال سرامیکهای غر اکسیدی مبحث بعدی می‌باشد که شامل سرفصل‌های زیررا شامل می‌شود: 1- واکنشهای اتصالی 2- روشهای اتصال 3- اتصال حال جامد 4- اتصال یوتکتیک 5- خواص اتصال 6- مواد مخصوص اتصال درفصل آخر نیز کاربردهای سرامیکهای پیشرفته و اتصالات آنها مورد بررسی قرار می‌گیرد.

مقدمه

تعریفی که برای اتصال مواد یا همان جوینینگ می‌توانیم داشته باشیم عبارتست از :

نزدیک کرد دو ماده به یکدیگر به طوری که سطوح این دوماده یک فصل مشترک را تشکل دهند و این دوماده را بوسیله روشهای مختلفی مانند: بستهای مکانیکی، انواع چسبها، ایجاد یک باند شیمیائی و یا ایجاد یک باند دیفوزیونی متصل به یکدیگر نگه‌ می‌دارند.

در این رساله در مورد روشهای اتصال سرامیک به سرامیک و سرامیک به فلز بحث خواهد شد. عمل جوینینگ یا اتصال، استفاده از سرامیکهائی را که نمی‌توان بصورت تکی استفاده کرد آسانتر می‌کند. ویا اینکه هزینه آ‌نها بوسیله جوینینگ پائین می‌آید.

در حقیقت وقتی دو قطعه به هم متصل می‌شود ماده حاصل تقویت شده و استحکام بهتری پیدا می‌کند. کاربرد قابل توجه برای اتصال سرامیکها وابسته است به کار اجزاء سرامیکی در دماهای بالا و ایستادگی آنها در برابر تنشها او گرادیانهای بالای حرارتی . از جمله مواردی که می‌تواند گرادیانهای حرارتی و تنش در اتصال ایجاد کند عبارتند از روند سرمایش قطعه که باعث ایجاد گرادیان حرارتی درداخل اتصال می‌شود. حرکتهای پاندولی و چرخش کاربر نیز ایجاد تنش می‌کند. برای طراحی سیستمهائی با اتصالات سرامیکی نیازمند یک سری اطلاعات از مواد موجود در لایه‌ها می‌باشیم که این اطلاعات شامل شاخت خواصی از قبیل: انبساط حرارتی، ویسکوزیته، مدول الاستیک، استحکام، تافنس شکست، خزش و خستگی می‌باشد. قابل دسترس بودن تکنیکهای اتصال و داشتن اطلاعات کافی و مفید از این خواص در طراحی مناسب سیستمها  با ساختار سرامیکی در دماهای بالا تأثیر بسزائی خواهد گذاشت. اتصال سرامیک به سرامیک و سرامیک به فلز حداقل بوسیله یکی ازسه روش زیر انجام می‌شود.

 اتصال مکانیکی: که به صورت بستهای مکانیکی می‌باشد مثل نگهداری نسوزهای کف کوره بوسیله قالب های فلزی

 اتصال مستقیم، که این اتصال به این صورت است که دوسطح خیلی تخت را روی هم قرار می‌دهند و تارسیدن به مرحله دیفوزیون آنها را تحت فشار قرار می‌دهند. مکانیزم اتصال در این روش ایجاد یک باند دیفوزیونی می‌باشد.

 اتصال غیر مستقیم: در  این روش محدوده وسیعی از باندهای واسط شبیه چسبهای آلی، شیشه‌ها،  شیشه  سرامیکها، ترکیبات اکسیدی (شامل سیمانها و ملاتها) یا بعضی از فلزات استفاده می‌شوند. لایه‌های واسط فلزی استفاده می‌شوند. بعنوان عامل تولید باند دیفوزیونی حالت  جامد که به این لایه‌های واسط فیلریا پرکننده می‌گویند]1[

1-1- فرایندمتالیزه کردن: که در آن یک لایه فلزی نازک به یک زمینه سرامیک متصل می‌شود که اغلب بعنوان یک لایه واسط است. فرایندهای متالیزه  کردن قابلیت‌ترشدن سطوح سرامیک برای فلزات فیلر را بهبود داده و عضو فلزی می‌تواند به بستر سرامیک فلزی متصل شود. موفق‌ترین متصل کننده‌های سرامیک به فلز بوسیله جوش‌کاری یک عضو فلزی به سرامیک متالیزه همراه با فلز فیلربرنجی با پایه نقره تولید شده‌اند. فرایندهای متالیزه کردن هنوز از تکنیکهای باکاربرد وسیع برای اتصالهای فلز به سرامیک می‌باشد. البته بهبودهای حائز اهمیت در تکنیکهای متالیزه  کردن انجام شده و چندین فرآیند جدید ایجاد و ارزیابی شده است.  همچنین تحقیق جامع درمورد واکنشهائی که در هنگام متالیزه کردن سطح سرامیک روی می‌دهند دراثر بخش بودن متالیزه سهیم است.

رویه های متالیزه کردن نیز جهت بهبود قابلیت‌ تر شدن سطح سرامیک بوسیله فلزات و پرکننده‌های متعارف بادمای پائین ایجاد شده‌اند. بعدا محققان دریافتند که برخی فلزات فعال و آلیاژها یا ترکیباتشان می‌توانند سطوح سرامیک غیر متالیزه را تحت شرایط سرامیک تر نمایند. هرچند تفاوت‌های فرایند فلز فعال جهت تولید اتصالهای سرامیک به فلز بکار رفته، اما هنوز جهت تولید این اتصالات بصورت تجاری بکار می‌رود. در مروری در خصوص پیشرفتهای انجام شده در این زمینه باید تأکید شود که متالیزه‌کردن، آمادگی سطح برای سرامیکهاست نه یک فرایند اتصال ] 1 [

فرایند متالیزه کردن معمولا برای سرامیکهای اکسیدی استفاده می‌شود که به صورت مخلوطی از یک فاز شیشه  ویک فلز نسوز می‌باشد. علت استفاده از فاز شیشه ایجاد یک باند بین فلز نسوز و سرامیک اکسیدی می‌باشد. فرایند متالیزه کردن در دولایه انجام می‌شود. لایه اول متالیزه شامل مخلوطی از  فلز نسوز و شیشه می‌باشد که روی سطح سرامیک روکش می‌شود. درحقیقت سطح سرامیک را بوسیله این مواد که معمولا شامل تنگستن (w) مولیبدنیوم (Mo)، اکسید منگنز (Mno) و مقدرای شیشه فریتی می‌باشد نقاشی می‌کنند. درضمن برای نقاشی کردن، این  مواد را همراه بایک حامل و یک حلال مورد استفاده قرار می‌دهند. برای رسیدن به یک حدمطلوب از متالیزه کردن پارامترهای متعددی  دخیل هستند،  از آن جمله می‌توان به مواردی نظیر: درجه حرارت، زمان، وضعیت اتمسفر و ضخامت لایه‌ نقاشی شده اشاره کرد:  متدهای رایج برای متالیزه کردن عبارتند از: اسپری  کردن، چاپ شابلنی، تزریق یا نقاشی بوسیله نازل و انتقال با استفاده از چرخ یانواز نقاله. دستیابی به یک ضخامت مشخص به خواص رئولوژی ماده نقاشی شونده و نوع روش متالیزه کردن بستگی دارد. یکی از خواص مهم ماده نقاشی شونده که‌در کنترل ضخامت مورد بررسی می‌گیرد ویسکوزیته می‌باشد. نتایج حاصل از متالیزه کردن بوسیله روشهای مختلف درجدول 1-1 آمده است.

درلایه‌ دوم متالیزه ازیک فلز مانند نیکل، مس، طلا، قلع یا سرب استفاده می‌شود این لایه بوسیله الکترولیت ته‌نشین می‌شود. ضخامت این لایه معمولا  4-2  می‌باشد. البته دربرخی موارد لایه مذکور بوسیله احیای اکسیدهای فلزی مطلوب تولید می‌شود. این لایه‌های ثانویه چندین کار انجام می‌دهند و این روش به کار رفته جهت اتصال سرامیک به فلز بستگی دارد. چنانچه قرار باشد این اتصالات با فلزات فیلتر پایه یا  انجام شود روک‌ها دارای کاربردهای زیرمی‌باشند:

وقتی فلزات به کاررفته برای متالیزه کردن بوسیله فلزات فیلر با دامای پائین‌، تر نمی‌شوند پوشش سطحی را همراه با فلزی فراهم می‌کند که به آسانی بوسیله چنین فلزات پرکننده تر شوند

 تاحدی فلزات پوشش دهنده بعنوان مانعی برای نفوذ لایه متالیزه بوسیله فلز پرکنده عمل می‌کندبرخی فلزات پرکننده با فلزاتی واکنش می‌دهند که برای متالیزه کردن بکارمی روند

چنانچه این واکنش تا مدت زیادی دوام داشته باشد، فلز پرکننده می‌تواند در روکش متالیزه نفود کرده و آنرا از سرامیک بلند کند روکش‌های متالیزه شده معمولا با  پوشش می‌شوند تا نفوذ را به تأخیر انداخته وبا  پوشش داده شده تا نمناکی خوبی را فراهم کند. اتصال سرامیک به فلز بوسیله روشهائی غیراز جوشکاری نیز تولید می‌‌شود. عمل پوشش کارکردهای دیگری نیز دارد. مثلا اتصالات جوش کاری شده نیازمند موادی هستند که انتشار میان سطح سرامیک متالیزه و فلز را ارتقا می‌بخشد.

2-1 تکنیک پودر فلز زینترشده:

در این فرایند پودر های فلزی جداشده با یک چسب مناسب ترکیب می‌شوند تا سوسپانسیون یا خمیری را تولید کنند که بتواند روی  سطح سرامیک رنگ شود. این روکش بوسیله حرارت به سرامیک زینتر می‌شود. این کار بوسیله گرمایش سرامیک دردمای بالا درفضای کنترل شده انجام می‌شود. معمولا  یا  درکاربردهای دما بالا بکار می‌روند. ، ، ،  نیز بکار رفته‌اند. متداولترین فرایند ازای دست فرایند شلی منگنز است که در آن پودر با پودر یا نورد می‌شود تا ذره‌ای از1 تا 2  تولید کند. گاهی پودرهای فلزی بجای اکسیدها بکار می‌روند. یک سوسپانسیون با استفادها از یک چسب نظیر نیترو سلوز آماده‌ می‌شود به نحوی که یک لایه رنگ به ضخامت 10 الی 25 میکرون می‌تواند برای سرامیک پایه به‌کار رود. سرامیک پایه دریک فضای  دردمای 100ت پخت می‌شود. برخی اکسیدهای مذکور احیا می‌شوند برخی دیگر باخودشان و سرامیک پایه ترکیب می‌شوند تا یک ماده مذاب چسبنده را شکل دهند این ماده مذاب روی فاز فلزی زینتر شده را می‌پوشاند و کاملا سرامیک پایه را تر کرده و سخت می‌‌شود. تا یک فاز شیشه رادرهنگام سردشدن ایجاد کند. این فاز شیشه‌ کمتر از سرامیک پایه متراکم می‌شود و لذا با  فاز فلزی درفشار قرار می‌گیرد. بنابراین فاز شیشه‌ای قویا به فلز زینتر شده و سرامیک پایه می‌چسبد. لایه مقاوم متالیزه شده نوعا ضخامت داشته و می‌تواند بصورت لایه‌ای ضخیم از 2 ای 4 میکرومتر از  نیکل  یا مس پوشش گردد تا ترشدن را حین جوشکاری بهبود دهد. استحکام کششی اتصال سرامیک به  فلز از70  یا بالاتر دردسترس می باشد.

فرایند ایجاد شده بوسیله ملت و اسپرک بوسیله صنعت بعنوان روش استاندارد پذیرفته شده تا سطوح سرامیک را متالیزه کنند. اختلافات زیادی جهت گسترش فرایند ایجاد شده است. برای تولید کم و بدنه‌های شکل‌گرفته مخلوط متالیزه معمولا همراه بایک پرس کوچک استعمال می‌‌شود. باید توجه کرد که از این روکش بصورت یکنواخت استفاده می‌شود. روکش کاری بوسیله اسپری و روکش کاری رولر وغربال کردن نیازمند تجهیزات بیشتر بوده و برای تولید در حجم زیاد مناسب است. این مخلوط متالیزه می‌تواند روی نوار انتقالی برای استعمال برسطوح سرامیک تهیه شود. در تولید این نوار مخلوط متالیزه بطور  یکنواخت روی صفحه پلی‌اتیلن پخش شده و با چسب ضدفشار روکش می‌شود. و بوسیله یک ورق محافظت می‌شود. برای استفاده این ورق محافظ برداشته شده و بدنه‌های سرامیک روی نوار فشار داده می‌شوند. وقتی سرامیک از روی نوار بلند می‌شود روکش متالیزه به این بخش انتقال می‌یابد. زینتر کردن هم به صورتی معمول انجام می‌شود. صنعت دارای عملیات‌های انتقال نوارخودکار و همچنین روش‌های دیگری برای استعمال مخلوط‌های متالیزه برای بدنه‌ها یا اجسام سرامیکی می‌باشد. سایر تحقیقات نشانگر برنامه‌های جامع انجام شده بوسیله محققان جهت قابلیت اطمینان فرایند متالیزه پودر فلزی زینتر شده می‌باشد. براساس یک بررسی درخصوص مطالب در این زمینه محققان مشاهدات و تئوری‌های چسبندگی میان روکش متالیزه و جسم سرامیکی را تحلیل کرده‌اند تا درجات موادی را که این چسب را بهبود می‌دهند تعیین کنند. براساس این رویه تحلیلی بیش از 200 مخلوط، متالیزه فرموله و ارزیابی شده‌اند. اثر بخش‌بودن متالیزه توسط تست‌هائی از قبیل چسبندگی، استحکام پوسته، استحکام فشاری و استحکام کششی مورد سنجش قرار گرفته است. تستهای مذکور نشان می‌دهد که بسیاری از فلزات و اکسیدها می‌توانند بجای به‌‌کار روند. دست کم16 مخلوط متالیزه ترکیباتی با قدرت برابر یا بیشتر از قدرت تولید شده بوسیله فرایند مولی منگنز را تولید می‌کنند که می‌توان نتیجه‌ گرفت:

استحکا کششی اتصال  سرامیک به فلز همراه با مثلا 3 قسمت باافزایش کاهش می‌‌یابد  حداکثر قدرت کششی 196، 152 و 110 برای به ترتیب سرامیک‌های  بادرصدهای 94، 96، 6،99 می‌باشد.

2)‌ دامنه دمای زینترنیگ بهینه 1500 الی 1600 است.

3)‌  مخلوط‌های متالیزه برای بدنه  - 6/99% نیازمند افزودن یا مواد دارای سیلیکات جهت تولید اتصالات رضایتبخش است. سایر ترکیبات متالیزه با پایه  مخلوط می‌شوند با افزودنی‌های: هیدرید تیتانیوم، Fe واکسیدهای فلزی زیاد مخلوط می‌شود که جهت افزایش چسبندگی لایه متالیزه به سطح سرامیک می‌باشد،  شخصی بنام تنتارلی برنامه را گزارش کرد که جهت ایجاد مواد متالیزه با دمای پائین تدوین شده است.

 حال معلوم است که ریز ساختارها و ویژگیهای تغییر سرامیک‌ها درهنگام حرارت دردمای بالا نیازمند زینترنیگ روکش‌های می‌باشد. مثلا گزارش شده است کهقدرت اتصال درمقابل مدول گسیختگی، تخلخل و غلظت وقتی افزایش می‌یابد که دمای پخت از فراتر رود بنابراین افزایش 4/1 دصدی درطول یک سرامیک بامیزان آلومینای 96% گزارش شده‌است. چنین تفاوتهائی در ابعاد فیزیکی دردماهای1000 الی 1900 روی نمی‌دهد. یک‌سری از رنگهای متالیزه برمبنای اکسیدهای فلزی ،  و  فرموله می‌شوند درحالیکه  بیشترین توجه را بعنوان یک  جزء متالیزه دریافت می‌کند.  همچنین بررسی شده‌  است تا سرامیک‌ها

را برای کار دردای بالا متالیزه نماید. تنتارلی توجه می‌کند که:

هیچ تفاوتهای قابل توجه در قدرت اتصال وجود ندارد و این صرفنظر از ضخامت روکش و دمای متالیزه می‌باشد. 2) استحکام‌های کششی متوسط 189 الی 96  همراه با سرامیک‌های مختلف بدست می‌آید 3) تستهای دوره گرمائی جهت ارزیابی قابلیت اطمینان اتصال بدست با سیستم متالیزه دمای پائین  نسبت به قابلیت اطمینان بدست آمده همراه با دمای بالای متعارف است و هیچ تفاوت قابل ملاحظه‌ای در نتایج ذکر نشده است.