Twój ekspert w dziedzinie innowacyjnych systemów zintegrowanych ceramika-metal:
Kompozyt ceramiki i metalu
Aby zrozumieć złożoność kompozytu ceramiczno-metalowego, ważne jest nie tylko poznanie najważniejszych właściwości materiału, ale także podstawowe zrozumienie różnych materiałów. W przeciwieństwie do metali, ceramika zastępuje termin "wytrzymałość materiału" terminem "prawdopodobieństwo złamania".
Im większa objętość elementu ceramicznego pod obciążeniem rozciągającym, tym większe prawdopodobieństwo pęknięcia. Można to uzasadnić tym, że prawdopodobieństwo wystąpienia wad krytycznych w materiale wzrasta wraz z wielkością komponentu. Oprócz zasady, że elementy ceramiczne muszą być poddawane ściskaniu, a nie naprężaniu, ważne jest, aby współczynniki rozszerzalności cieplnej materiałów ceramicznych znacznie różniły się od współczynników rozszerzalności cieplnej metali. Należy to uwzględnić przy projektowaniu systemów kompozytowych, zarówno w odniesieniu do rozszerzalności cieplnej przy maksymalnej temperaturze roboczej, jak i w odniesieniu do procesu łączenia. Przykład powinien pokazać, jakie decydujące różnice mogą wystąpić przy wzroście temperatury.
Im większa objętość elementu ceramicznego pod obciążeniem rozciągającym, tym większe prawdopodobieństwo pęknięcia. Można to uzasadnić tym, że prawdopodobieństwo wystąpienia wad krytycznych w materiale wzrasta wraz z wielkością komponentu. Oprócz zasady, że elementy ceramiczne muszą być poddawane ściskaniu, a nie naprężaniu, ważne jest, aby współczynniki rozszerzalności cieplnej materiałów ceramicznych znacznie różniły się od współczynników rozszerzalności cieplnej metali. Należy to uwzględnić przy projektowaniu systemów kompozytowych, zarówno w odniesieniu do rozszerzalności cieplnej przy maksymalnej temperaturze roboczej, jak i w odniesieniu do procesu łączenia. Przykład powinien pokazać, jakie decydujące różnice mogą wystąpić przy wzroście temperatury.
Kompozyt ceramiki i metalu (dopasowanie)
Tuleja wykonana z ceramiki Al2O3 ma być połączona z metalowym wałem za pomocą pasowania. Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) ceramiki Al2O3 (99,7%) z α=7,3*10-6 /K różni się znacznie od CTE stali nierdzewnej 1,4571 z α=16,5*10-6 /K. Przy średnicy D=50mm stalowego wału i wzroście temperatury o 100K, rozszerzenie o 50mm*(16,5*10-6/K)*100K = 0,083mm.
W przypadku tulei Al2O3 występuje wydłużenie 50 mm*(7,3*10-6/K)*100K = 0,037mm. Jeśli połączenie jest zaprojektowane jako szczelne, większe wydłużenie metalowego wału spowodowałoby pęknięcie tulei ceramicznej. Ten projekt nie jest zatem odpowiedni dla ceramiki.
Przykładem odpowiedniego kompozytu ceramiczno-metalowego jest połączenie zaciskowe pomiędzy rdzeniem ceramicznym a metalową tuleją. Aby wcisnąć tuleję na ponadwymiarowy pręt ceramiczny, metal musi być podgrzewany. Po ochłodzeniu powstaje połączenie zaciskowe poprzez obkurczenie ceramiki. Ponieważ materiały ceramiczne mogą bardzo dobrze absorbować siły ściskające, ta zasada projektowania jest zasadniczo odpowiednia do produkcji kompozytu ceramiczno-metalowego.
W przypadku tulei Al2O3 występuje wydłużenie 50 mm*(7,3*10-6/K)*100K = 0,037mm. Jeśli połączenie jest zaprojektowane jako szczelne, większe wydłużenie metalowego wału spowodowałoby pęknięcie tulei ceramicznej. Ten projekt nie jest zatem odpowiedni dla ceramiki.
Przykładem odpowiedniego kompozytu ceramiczno-metalowego jest połączenie zaciskowe pomiędzy rdzeniem ceramicznym a metalową tuleją. Aby wcisnąć tuleję na ponadwymiarowy pręt ceramiczny, metal musi być podgrzewany. Po ochłodzeniu powstaje połączenie zaciskowe poprzez obkurczenie ceramiki. Ponieważ materiały ceramiczne mogą bardzo dobrze absorbować siły ściskające, ta zasada projektowania jest zasadniczo odpowiednia do produkcji kompozytu ceramiczno-metalowego.
Kompozyt ceramiki i metalu (połączenie śrubowe)
Najczęściej spotykanym połączeniem niepozytywnym jest połączenie śrubowe. Można to osiągnąć również w przypadku materiałów ceramicznych. W temperaturze pokojowej metalowe wsporniki z gwintem zewnętrznym można łatwo wkręcić w ceramiczny gwint wewnętrzny.
Zewnętrzne gwinty w ceramice reprezentują jednak długie nacięcia lub pęknięcia w ceramice. Dlatego też, jeśli to możliwe, promień w podstawie karbu powinien być jak największy, aby zmniejszyć ryzyko wystąpienia z góry określonego punktu zerwania. Ma to większy sens i jest zazwyczaj bardziej korzystne, jeśli konstrukcja może być dostosowana do takiego stopnia, że można zastosować standardowe śruby metalowe lub metalowe tuleje gwintowane mogą być przyklejone lub wlutowane do ceramiki.
Zewnętrzne gwinty w ceramice reprezentują jednak długie nacięcia lub pęknięcia w ceramice. Dlatego też, jeśli to możliwe, promień w podstawie karbu powinien być jak największy, aby zmniejszyć ryzyko wystąpienia z góry określonego punktu zerwania. Ma to większy sens i jest zazwyczaj bardziej korzystne, jeśli konstrukcja może być dostosowana do takiego stopnia, że można zastosować standardowe śruby metalowe lub metalowe tuleje gwintowane mogą być przyklejone lub wlutowane do ceramiki.
Kompozyt ceramiki i metalu (łączenie)
Kleje organiczne można podzielić na dwie klasy. W przypadku klejów reagujących chemicznie, wiązanie uzyskuje się poprzez polimeryzację, poliaddycję lub polikondensację. W zależności od rodzaju reakcji rozróżnia się również utwardzanie na zimno i ciepło oraz systemy jedno- lub dwuskładnikowe. W przypadku klejów fizycznie wiążących rozpuszczalnik odparowuje, a materiały bazowe utwardzają się.
Kleje na bazie żywicy epoksydowej okazały się bardzo skuteczne w łączeniu elementów kompozytowych ceramiczno-metalicznych. Charakteryzują się one następującymi właściwościami:
Połączenia klejowe powinny być wykonywane tylko przy obciążeniach ścinających, rozciągających lub ściskających, a także przy obciążeniach zginających. Ważne jest dokładne oczyszczenie i aktywowanie powierzchni klejonych chemicznie lub mechanicznie. Należy jednak zauważyć, że spoiwa klejowe z klejami organicznymi podlegają procesowi starzenia i generalnie nie powinny być trwale podgrzewane powyżej 150°C.
Wiązane elementy kompozytowe metalowo-ceramiczne nie nadają się do stosowania w technice próżniowej ze względu na stałe odgazowywanie.
Kleje na bazie żywicy epoksydowej okazały się bardzo skuteczne w łączeniu elementów kompozytowych ceramiczno-metalicznych. Charakteryzują się one następującymi właściwościami:
- dobre właściwości mechaniczne
- dobra odporność chemiczna
- niski skurcz podczas utwardzania
- Nadaje się również do większych szczelin klejenia dzięki zastosowaniu wypełniaczy.
- proste połączenie różnych materiałów
Połączenia klejowe powinny być wykonywane tylko przy obciążeniach ścinających, rozciągających lub ściskających, a także przy obciążeniach zginających. Ważne jest dokładne oczyszczenie i aktywowanie powierzchni klejonych chemicznie lub mechanicznie. Należy jednak zauważyć, że spoiwa klejowe z klejami organicznymi podlegają procesowi starzenia i generalnie nie powinny być trwale podgrzewane powyżej 150°C.
Wiązane elementy kompozytowe metalowo-ceramiczne nie nadają się do stosowania w technice próżniowej ze względu na stałe odgazowywanie.
Kompozyt metalowo-ceramiczno-ceramiczny i ceramiczno-ceramiczny (lutowanie lutami szklanymi)
Lutownice szklane mogą być stosowane do gazoszczelnego łączenia elementów ceramicznych, a także, na przykład, elementów kompozytowych platynowo-ceramicznych. Ten proces łączenia charakteryzuje się dobrą odpornością chemiczną i temperaturą pracy do ok. 1000°C, w zależności od lutu szklanego. Ani atmosfera gazu ochronnego, ani metalizowanie ceramiki nie jest konieczne do łączenia z lutem szklanym.
Kompozyt ceramiki i metalu (lutowanie lutami metalicznymi)
Standardowym procesem łączenia w Alumina Systems do produkcji elementów kompozytowych metalowo-ceramicznych jest lutowanie ceramiki do metali. Podczas lutowania atomy rozpraszają się z lutu do siatki materiału, a podczas lutowania metali również atomy materiału rozpraszają się w strukturze lutu. Mniej lub bardziej wyraźna strefa dyfuzji tworzy się wzdłuż mokrej powierzchni. W przeciwieństwie do spawania, materiał pozostaje w stanie stałym.
Liczba możliwych partnerów łączących ceramikę i metal jest poważnie ograniczona przez różne współczynniki rozszerzalności cieplnej materiałów. Im większa jest różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej pomiędzy ceramiką i metalem oraz lutem, tym większe są naprężenia występujące podczas chłodzenia lutowanego złącza.
Istnieją dwie różne metody lutowania ceramiki:
Liczba możliwych partnerów łączących ceramikę i metal jest poważnie ograniczona przez różne współczynniki rozszerzalności cieplnej materiałów. Im większa jest różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej pomiędzy ceramiką i metalem oraz lutem, tym większe są naprężenia występujące podczas chłodzenia lutowanego złącza.
Istnieją dwie różne metody lutowania ceramiki:
- Lutowanie bierne ceramiki
- Aktywne lutowanie ceramiki
1. Lutowanie bierne ceramiki
Aby zapewnić wystarczające zwilżanie lutu na powierzchni ceramicznej, konieczne jest wcześniejsze zetalizowanie powierzchni ceramicznej. W tym celu pasta MoMn (molibden, mangan) lub WMn (wolfram, mangan) jest nakładana metodą sitodruku i wypalana w temperaturze ok. 1400°C pod gazem formującym (5% wodoru, 95% azotu).
Ta warstwa ma dwie funkcje. Szkło zawierające Mn łączy się z ceramiką Al2O3. Metaliczne cząsteczki Mo- w szkle tworzą połączenie z metalem. Po stopieniu, warstwa metalizacji jest galwanicznie powlekana niklem. Ni pełni również kilka funkcji. Chroni metalizację przed korozją i umożliwia dobrą zwilżalność przez lut metaliczny.
W zależności od partnera metalowego, lutowanie bierne ceramiki odbywa się w atmosferze redukcyjnej lub w próżni. Najpopularniejsze lutownice bierne bazują na eutektyce srebrno-miedzianej.
Ta warstwa ma dwie funkcje. Szkło zawierające Mn łączy się z ceramiką Al2O3. Metaliczne cząsteczki Mo- w szkle tworzą połączenie z metalem. Po stopieniu, warstwa metalizacji jest galwanicznie powlekana niklem. Ni pełni również kilka funkcji. Chroni metalizację przed korozją i umożliwia dobrą zwilżalność przez lut metaliczny.
W zależności od partnera metalowego, lutowanie bierne ceramiki odbywa się w atmosferze redukcyjnej lub w próżni. Najpopularniejsze lutownice bierne bazują na eutektyce srebrno-miedzianej.
2. Aktywne lutowanie ceramiki
Drugą możliwością lutowania ceramiki jest zastosowanie tzw. lutów aktywnych. Zawierają one np. tytan, cyrkon lub hafn jako składniki reaktywne. Aktywne lutownice łączą się z ceramiką nawet bez metalizowania. Jednak w porównaniu z lutami pasywnymi, lutowniki aktywne prawie nie przepływają po powierzchni ceramicznej. Oznacza to, że nie tworzy się filet lutowniczy, który jest korzystny dla wytrzymałości spoiny. Nawet jeśli lutowanie bez metalizacji wydaje się bardziej korzystne, do aktywnego lutowania wymagane jest zastosowanie wysokotemperaturowego pieca próżniowego lub gazowego z gazem obojętnym.
Aby zagwarantować optymalną szczelinę lutowniczą podczas lutowania, metal i ceramika mogą być tylko nieznacznie oddzielone rozszerzalnością cieplną podczas procesu lutowania. Dlatego też stopy żelaza i niklu, takie jak Ni42 (1.3917) lub Kovar (NiCo2918=1.3981) są wykorzystywane głównie do lutowania z użyciem Al2O3. Tutaj różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej do Al2O3 w temperaturze pokojowej jest stosunkowo niewielka. W ten sposób generowane są tylko niskie napięcia złożone. W ten sposób uzyskuje się wysoką powtarzalną wytrzymałość kompozytu metalowo-ceramicznego o wartości ponad 200 MPa.
Te stopy żelaza i niklu mogą być spawane bardzo dobrze ze stalą nierdzewną w dalszych procesach. Otwiera to wiele możliwości zastosowania kompozytów ceramiczno-metalowych.
Aby zagwarantować optymalną szczelinę lutowniczą podczas lutowania, metal i ceramika mogą być tylko nieznacznie oddzielone rozszerzalnością cieplną podczas procesu lutowania. Dlatego też stopy żelaza i niklu, takie jak Ni42 (1.3917) lub Kovar (NiCo2918=1.3981) są wykorzystywane głównie do lutowania z użyciem Al2O3. Tutaj różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej do Al2O3 w temperaturze pokojowej jest stosunkowo niewielka. W ten sposób generowane są tylko niskie napięcia złożone. W ten sposób uzyskuje się wysoką powtarzalną wytrzymałość kompozytu metalowo-ceramicznego o wartości ponad 200 MPa.
Te stopy żelaza i niklu mogą być spawane bardzo dobrze ze stalą nierdzewną w dalszych procesach. Otwiera to wiele możliwości zastosowania kompozytów ceramiczno-metalowych.