阅读说明：本技术 一种陶瓷表面金属化工艺 (Ceramic surface metallization process ) 是由 包信海 张翰中 包信章 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种陶瓷表面金属化工艺,包括如下步骤：通过等静压成型技术制备预烧坯体；预烧结,将装有所述预烧坯体的坩埚置于800-900℃烧结炉内进行低温烧结得第一陶瓷坯体；加工,对第一陶瓷坯体进行机械加工控制尺寸精度,得第二陶瓷坯体；涂金属化层,往所述第二陶瓷坯体表面涂覆金属化涂料得第三陶瓷坯体；以及完全烧结,将第三陶瓷坯体置于1200-1350℃烧结炉内烧结完成陶瓷表面金属化工艺。所述陶瓷表面金属化工艺克服现有技术的不足,制备方法简单,陶瓷与金属表面结合强度大。(The invention provides a ceramic surface metallization process, which comprises the following steps: preparing a pre-sintering blank body by an isostatic pressing technology; pre-sintering, namely placing the crucible filled with the pre-sintered blank body in a sintering furnace at 800-900 ℃ for low-temperature sintering to obtain a first ceramic blank body; machining, namely machining the first ceramic blank to control the dimensional precision to obtain a second ceramic blank; coating a metallized layer, and coating a metallized coating on the surface of the second ceramic blank to obtain a third ceramic blank; and completely sintering, namely placing the third ceramic blank body in a sintering furnace at 1200-1350 ℃ to sinter to finish the ceramic surface metallization process. The ceramic surface metallization process overcomes the defects of the prior art, the preparation method is simple, and the bonding strength of the ceramic and the metal surface is high.)

一种陶瓷表面金属化工艺

技术领域

本发明涉及金属陶瓷技术领域，具体涉及一种陶瓷表面金属化工艺。

背景技术

氧化锆(ZrO₂)是一种优良的非金属材料，因具有高硬度、高韧性、导热率低、耐磨耐蚀以及高温导电等特性。近年来，随着对陶瓷材料的深入研究与开发利用，氧化锆陶瓷材料在电子陶瓷、功能陶瓷和结构陶瓷等特种陶瓷方面的研发、应用迅速发展，这些特种陶瓷材料已经成为航天、航空、电子和核工业的基础材料，在高新技术领域中的应用异常活跃。此外，氧化锆在电子和新材料工业的发展中占有重要地位，在冶金、化工、玻璃和医学等部门的应用也不断增加，具有广阔的应用前景。

在作为LED散热基板、陶瓷封装和电子电路基板使用时，为了建立氧化锆陶瓷基板上半导体器件或IC芯片与外界系统之间的联系，为内部器件或芯片传输电能和信号，就需要对氧化锆陶瓷和金属之间进行焊接。而由于陶瓷材料表面结构与金属材料表面结构不同，焊接往往不能润湿陶瓷表面，也不能与之作用而形成牢固的黏结，这就需要采用一种特殊的陶瓷与金属的封接工艺方法，即陶瓷表面金属化的方法。氧化锆陶瓷表面金属化是指在其工作部位的表面上，涂覆一层具有高导电率、结合牢固的金属薄膜，用以实现陶瓷和金属间的焊接。目前氧化锆陶瓷的表面金属化方法主要包括钼锰法、镀金法、镀铜法、镀锡法、镀镍法、LAP法(激光后金属镀)等多种陶瓷表面金属化工艺，其主要流程为：陶瓷表面做金属化烧渗→沉积金属薄膜→加热焊料使陶瓷与金属焊封。在这些方法中由于处理步骤较多，使得工艺变得复杂，影响因素众多，不利于高质量氧化锆陶瓷金属表面的获得。

公告号为CN109422547A的发明专利具体公开了一种氧化锆陶瓷表面金属化的方法，包括以下步骤：A、对氧化锆陶瓷表面进行清洗；B、在氧化锆陶瓷的选定位置涂刷保护剂，并固化；C、对氧化锆陶瓷表面进行活化；D、将氧化锆陶瓷放入真空腔室，使用电子束照射氧化锆陶瓷表面，实现氧化锆陶瓷表面金属化。本发明能够改进现有技术的不足，生产的氧化锆陶瓷金属化表面质量高，可控性强。

上述专利采用电子束照射方法实现氧化锆陶瓷表面金属化，制备工艺复杂，能量消耗较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种陶瓷表面金属化工艺，制备方法简单，陶瓷与金属表面结合强度大。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种陶瓷表面金属化工艺，包括如下步骤：通过等静压成型技术制备预烧坯体；预烧结，将装有所述预烧坯体的坩埚置于800-900℃烧结炉内进行低温烧结得第一陶瓷坯体；加工，对第一陶瓷坯体进行机械加工控制尺寸精度，得第二陶瓷坯体；涂金属化涂料，往所述第二陶瓷坯体表面涂覆金属化涂料得第三陶瓷坯体；以及完全烧结，将第三陶瓷坯体置于1200-1350℃烧结炉内烧结完成陶瓷表面金属化工艺。

进一步，所述预烧结升温速度5~8℃/min，保温8-9h。

进一步，所述金属化涂料由金属粉、溶剂和触变剂混合制得。

进一步，所述金属粉采用银粉、钼粉、铜粉、锰粉、钛粉、铁粉、镍粉以及铬粉中的至少一种，所述金属粉的粒径为5um~100um。

进一步，所述溶剂采用有机溶剂。

进一步，所述触变剂采用鞘磷脂、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰甘油、大豆卵磷脂、二磷脂酰甘油、磷脂酰肌醇或脑磷脂中的至少一种。

进一步，所述金属化涂料选用丝网印刷、移印、喷涂或笔涂等方式涂覆在第二陶瓷坯体表面。

进一步，第三陶瓷坯体的完全烧结在氢气还原气氛保护下进行。

进一步，所述完全烧结升温速度5~8℃/min，保温8-9h。

进一步，所制得陶瓷表面金属化层的厚度为10um~100um。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明的一种陶瓷表面金属化工艺，在第二陶瓷坯体表面涂金属化层，所述金属粉体可以渗透进未完全燃烧的第二陶瓷坯体的外表面的显气孔内，当完全烧结后陶瓷表面金属化层与陶瓷材料结合紧密。陶瓷表面金属层在陶瓷材料烧结成型的过程中形成，工艺简单，易于操作，不需要额外的消耗大量的能量。

（2）本发明的一种陶瓷表面金属化工艺，预烧结后陶瓷颗粒间相互聚集，部分气孔被填充，形成烧结颈，使得第一陶瓷坯体具备了一定的强度及硬度，但由于强度不是很大，普通的机械加工技术就能对其进行加工，避免了完全烧结后对陶瓷表面进行加工而影响金属层与陶瓷表面的结合性能。提高了尺寸精密度，减少了加工设备成本。

（3）本发明的一种陶瓷表面金属化工艺，所述金属化涂料添加有触变剂，在搅拌或刮涂等剪切力作用下使得金属化涂料的稠度变小，利于涂覆，而在不受剪切力作用时金属化涂料的粘稠度又变大，利于金属化涂料在固定位置固化。触变剂具有降低或者抑制金属化涂料表面张力的作用，使金属化涂层在干燥过程中不出现凹凸不平的现象，从而保证金属化层能均匀地附着在第二陶瓷坯体的表面，避免陶瓷与金属焊接时出现虚焊、气孔等焊接缺陷，提高陶瓷封装时与金属件的接触面，增强结合力，提高封装可靠性。

（4）本发明的一种陶瓷表面金属化工艺，第三陶瓷坯体的完全烧结在氢气还原气氛保护下进行，防止陶瓷表面金属化层的氧化，提高了后续焊接的可靠性。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的

具体实施方式

详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

图1所示为本发明一种陶瓷表面金属化工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本实施例提供了一种陶瓷表面金属化工艺，如图1所示，包括如下步骤：

S10通过等静压成型技术制备预烧坯体；S20预烧结，将装有所述预烧坯体的坩埚置于800-900℃烧结炉内进行低温烧结得第一陶瓷坯体；S30加工，对第一陶瓷坯体进行机械加工控制尺寸精度，得第二陶瓷坯体；S40涂金属化涂料，往所述第二陶瓷坯体表面涂覆金属化涂料得第三陶瓷坯体；以及S50完全烧结，将第三陶瓷坯体置于1200-1350℃烧结炉内烧结完成陶瓷表面金属化工艺。

S10通过等静压成型技术制备预烧坯体。氧化锆陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、韧性好、比热容和热导率小等优异性能，应用于机械、冶金、化工、纺织、航空航天、生物、电子等行业具有优良的效果，本实施例选用的陶瓷粉体为3mol% Y₂O₃掺杂的四方氧化锆粉体，粉体粒度为30-1000nm，所述陶瓷粉体的比表面积为30-60m²/g，粒度分布符合正态分布曲线。所述氧化锆陶瓷粉体在使用前先进性喷雾造粒工艺，以使其具有良好的流动性。将所述陶瓷粉体以震动加料的方式装入专用模具内，加料完毕后用缠绕膜裹敷在所述模具的外表面将所述模具密封。

将装配好的模具置于冷等静压机的液压缸中等静压加工，所述冷等静压成型压力为180-260MPa，保压时间30-120s。等静压成型是将待压试样置于液压缸中，利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压，当液体介质通过压力泵注入液压缸时，根据流体力学原理，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向。此时液压缸中的粉料在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。等静压成型时液体介质传递的压力在各个方向上是相等的。弹性模具在受到液体介质压力时产生的变形传递到模具中的粉料，粉料与模具壁的摩擦力小，坯体受力均匀，密度分布均一，产品性能有很大提高。等静压工艺具有组织结构均匀、密度高、烧结收缩率小、模具成本低、生产效率高、可成型形状复杂、细长制品和大尺寸制品和精密尺寸制品等突出优点。冷等静压成型所选用的液压介质可以为水或者液压油，本实施例选用液压介质为液压油，以防止使用水压而使水通过模具接缝处的缝隙进入模具而影响成型效果及制成率。随着液压缸内的成型压力的增大所制得的预烧坯体相对密度逐渐增大，所述成型压力可以选用180 MPa、190MPa、200MPa、210MPa、220MPa、230MPa、240MPa、250MPa以及260MPa中的任一个。成型压力对预烧坯体相对密度的影响与粉体本身的性质有关系，不同的陶瓷粉体有个临界压力，当压力达到一定值后，随着所选用的成型压力的增大预烧坯体的相对密度变化不大。氧化锆陶瓷临界成型压力在200-230MPa。保压时间30-120s，优选50s、60s、70s、80s、90s、100s或110s中的一个，保压时间的大小对材料的性能也有间接的影响，可以有效的防止快速卸压预烧坯体内微裂纹的产生，并且保持一定成型压力可以有效的防止预烧坯体强度不均匀、微裂纹等问题。

将等静压处理后的模具从液压缸内取出，并进行冲洗去除模具表面的油渍，防止油污对预烧坯体表面质量的影响，并将所述预烧坯体置于坩埚内，在批量生产中，为了更高效的利用能源，通常需要将预烧坯体叠放在坩埚中进行烧结，此时通常需要在预烧坯体间刷一层稳定剂作为防粘粉防止预烧坯体再烧结的过程中粘连，所述稳定剂可以为CeO₂或Y₂O₃，本实施例优选Y₂O₃粉末。

S20预烧结，将装有所述预烧坯体的坩埚置于800-900℃烧结炉内进行低温烧结得第一陶瓷坯体。将所述预烧坯体进行烧结，烧结温度可以为800℃、820℃、850℃、855℃、860℃、865℃、870℃、875℃、880℃、885℃、890℃、895℃以及900℃中的任何一个烧结温度或850-900℃间的任何一个温度值，升温速度5~8℃/min，保温8-9h。在预烧结过程中，各自分散的陶瓷粉体颗粒相互聚集接触，形成陶瓷颈，如下表1所示不同烧结温度对第一陶瓷坯体密度及硬度的影响，此时第一陶瓷坯体的密度为3.1-3.3g/cm³。维式硬度为1.0-1.2GPa之间，第一陶瓷坯体具备了一定的强度。

表1.不同烧结温度对第一陶瓷坯体密度及硬度的影响

烧结温度（℃）	密度（g/cm<sup>3</sup>）	维式硬度（GPa）
			800	3.02±0.08	0.09±0.02
850	3.14±0.05	1.1±0.03
			900	3.23±0.06	1.2±0.03

S30加工，对第一陶瓷坯体进行机械加工控制尺寸精度，得第二陶瓷坯体。预烧结后，所述第一陶瓷坯体硬度尚未达到完全烧结的状态，使用普通的机械加工设备就可以对所述第一陶瓷坯体进行加工，主要加工方法有车削、打磨等加工过程。避免使用金刚石加工设备及陶瓷专用的加工设备，使用普通的加工设备即可加工，极大的减少了加工设备的投入，并通过机械加工对第一陶瓷坯体的尺寸精度进行了控制，获得了尺寸更精密的第二陶瓷坯体。

S40涂金属化层，将第二陶瓷坯体进行冲洗，后采用从超声波清洗设备去除第二陶瓷坯体外表面显气孔内的粉尘。往所述第二陶瓷坯体表面涂覆金属化涂料得第三陶瓷坯体。所述金属化涂料由金属粉、溶剂和触变剂混合制得。所述金属粉采用银粉、钼粉、铜粉、锰粉、钛粉、铁粉、镍粉以及铬粉中的至少一种，所述金属粉的粒径为5um~100um。所述溶剂采用有机溶剂，可以采用松油醇、二甘醇醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯或邻苯二甲酸三丁酯中的至少一种。所述触变剂采用鞘磷脂、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰甘油、大豆卵磷脂、二磷脂酰甘油、磷脂酰肌醇或脑磷脂中的至少一种。所述涂金属化涂料选用丝网印刷、移印、喷涂或笔涂等方式将金属化涂料涂覆在第二陶瓷坯体表面。由于预烧结并未达到陶瓷材料的完全烧结，陶瓷表面具有很多显气孔，在陶瓷表面涂覆金属化涂料后，部分金属化涂料渗入陶瓷表面的显气孔内，在完全烧结后，金属与陶瓷表面结合强度大大提高。

S50完全烧结，将第三陶瓷坯体置于1200-1350℃烧结炉内烧结完成陶瓷表面金属化工艺。所述完全烧结过程在氢气还原气氛保护下进行，防止在烧结的过程中金属层氧化，而影响后续的焊接结合强度。根据粉体性能及最终陶瓷盖板性能需求可以选择的烧结温度1200℃、1215℃、1230℃、1250℃、1265℃、1280℃、1300℃、1330℃以及1350℃中的任何一个温度或者是1200~1350℃中的任何一个温度值。升温速度5~8℃/min，优选：5℃/min、6℃/min、7℃/min以及8℃/min中的任何一个升温速度值，缓慢的升温速度可以防止快速升温材料内部的微裂纹出现。保温8~9h，优选8h、8.5h以及9h中的任何一个保温时间，较长的保温时间可以给陶瓷完全烧结的足够时间，防止不完全烧结而引起的后期材料破碎、韧性不足等问题出现。此完全烧结后即获得表面金属化的陶瓷。

采用此工艺制得的陶瓷表面金属层的抗热震性能优良，金属层与陶瓷基体的结合力强。且陶瓷表面形成金属层的厚度可根据金属化涂料的粘稠度进行调节，陶瓷表面金属层的厚度可以达到100um。形成的金属层焊接性能好。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。