技术领域
[0001] 本
发明涉及一种碳化硅表面金属涂层的制备方法，特别是采用真空
熔覆技术在碳化硅表面制备金属涂层的方法，目的在于改善金属对碳化硅陶瓷的
润湿性。
背景技术
[0002] 碳化硅具有优良的机械性能、高热传导性和良好的热震
稳定性等，这些特性使它们在航空航天,
汽车工业以及
能源等领域得到广泛应用；但碳化硅陶瓷韧性差、加工困难的缺点限制了其应用, 而金属具有优良的塑性、韧性以及良好的加工性, 但大部分金属及其
合金的高温性能差, 如果将二者结合起来充分发挥它们的优势, 必将形成十分优秀的结构功能一体化材料；碳化硅和金属的连接技术是碳化硅获得更大应用必须解决的关键技术；钎焊是通过
熔化的钎料润湿被连接材料而形成接头,在连接过程中被连接
母材可以保持不熔化, 因此钎焊在针对连接性能差异较大和对熔化敏感的材料时有其独特的优点，这样使得在精密陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属连接技术中, 钎焊法是最重要的连接方法，对于陶瓷钎焊, 钎料对陶瓷的小
角度润湿是实现连接的前提。
[0003] SiC陶瓷是一种共价键性很强的化合物，表现出非常稳定的
电子配位，其
晶体结构的基本结构单元是 SiC4 和 CSi4 配位四面体，通过定向的强四面体sp 键结合在一起，并有一定程度的极化；Si 的电负性为 1.8，C 的电负性为 2.6，Si-C 键的离子键性仅约占12%。SiC 陶瓷和金属材料在物理和化学性能方面存在巨大的差异，导致 SiC 陶瓷很难被不添加界面活性金属元素（如Ti、Cr）的液态金属或合金所润湿，这是影响SiC 陶瓷钎焊连接的本质问题，而通过对碳化硅表面制备金属涂层，使液态金属与SiC的润湿变为液态金属与金属涂层间的润湿，从而显著改善金属或合金熔体与SiC 陶瓷的润湿性能，对SiC与金属的钎焊十分有利。
[0004] 关于碳化硅陶瓷材料表面形成金属涂层方法，目前应用和研究的主要就是通过电
镀、
化学镀或浸入法等在SiC陶瓷表面形成金属层，如中国
专利ZL200710035759.3“一种高性能陶瓷表面
金属化处理工艺”是通过
电镀和烧镍在材料表面形成金属化层；中国专利ZL200510029905.2“SiC陶瓷颗粒表面化学镀
铜方法”和 ZL200510029906.7“SiC陶瓷颗粒表面镀钨方法”则是利用化学镀的方法对陶瓷颗粒表面进行化学镀铜和镀钨处理；中国专利ZL200410012575.1“表面合金化陶瓷及制备方法”是利用复合靶对陶瓷材料表面进行合金化处理；中国专利200910092748.8“陶瓷与金属的连接方法”在进行陶瓷-金属连接过程中通过将陶瓷浸入
铝或
铝合金熔液中让陶瓷表面粘附一层铝或铝合金
薄膜来对陶瓷材料进行
表面处理。然而，这些SiC陶瓷或颗粒表面形成的金属膜层，要么结合不够紧密，要么后续
热处理过程会与碳化硅基体发生反应，要么不能在高温场合使用。
[0005] 此外，中国专利201310140262.3“一种提高金属对SiC陶瓷润湿性的方法”是在SiC表面采用
离子注入一定剂量的
金属离子的方法，改善金属在SiC上的润湿性。中国专利201310392098.5“一种碳化硅陶瓷的表面金属化层及金属化方法”是通过将陶瓷（TiC或WC或其两者的混合物）、Co、Si和B的混合粉末进行
烧结或
等离子喷涂的方法，在SiC陶瓷表面制备金属+陶瓷复合涂层。中国专利ZL201110211637.1“SiC陶瓷表面处理方法及其用途”则是通过在SiC表面涂敷TiH2膏剂，经真空热处理后，在SiC表面形成一种具有金属性的Ti(C,Si)复合陶瓷涂层。
发明内容
[0006] 本发明目的在于提供一种碳化硅陶瓷表面优良金属涂层的制备方法，即在碳化硅陶瓷表面通过真空熔覆形成一层具有金属性、高温稳定和高结合强度的金属涂层，且涂层与碳化硅基体不发生明显的界面反应，以改善金属对碳化硅陶瓷的润湿性。
[0007] 本发明是采取如下技术方案予以实现的，一种碳化硅陶瓷表面真空熔覆金属涂层的方法，该方法由如下步骤组成：
[0008] 1）将市售Mo、Ni和Co的一种和Si粉按一定
质量百分比组成进行称重、混合，球磨制成金属混合粉末。
[0009] 2）将上述金属混合粉末烘干、过筛。
[0010] 3）取部分上述过筛好的金属混合粉末，加入有机粘结剂，充分搅拌后得到均匀膏剂。
[0011] 4）用手工涂刷或丝网印刷方法将膏剂
覆盖在清洁处理的碳化硅陶瓷表面上。
[0012] 5）将涂覆的碳化硅陶瓷片，置于真空度≤4×10-2Pa的真空炉，以3~10℃/min加热至一定
温度，保温一定时间，使金属混合粉末完全熔覆在陶瓷表面，再以3~5℃/min冷却至室温，形成致密的金属涂层。
[0013] 所述的Mo、Ni和Co的一种和Si粉按一定质量百分比组成指：10~40%的Mo，15~40%的Ni或Co，30~70%的Si。
[0014] 所述的球磨指：在滚筒
球磨机中，以硬质合金球或玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球磨24~72小时制成金属混合粉末。
[0015] 所述的烘干指置于80℃真空烘箱中烘干；所述的过筛指过200目筛。
[0016] 所述的有机粘结剂为松油醇+乙基
纤维素溶液，且松油醇：乙基
纤维素：金属混合粉末= 9g: 1g: 10g。
[0017] 所述的真空熔覆温度为1250~1400 ℃，保温时间为10~30 min。
[0018] 本发明在碳化硅陶瓷表面通过真空熔覆形成一层具有金属性、高温稳定和高结合强度的金属涂层，该真空熔覆工艺与
热喷涂、
磁控溅射镀膜、激光镀和
等离子体镀膜等方法相比工艺简便，对设备要求低，且该涂层与碳化硅陶瓷基体不发生明显的界面反应，可显著改善金属对碳化硅陶瓷表面的润湿性。
附图说明
[0019] 图1为
实施例中1和2号试样宏观照片（为对比涂层表面
颜色，添加未涂覆SiC陶瓷试样照片）。
[0020] 图2 为实施例中1号试样（金属涂层组成为10Mo+20Co+70Si）剖面(a)和Cu在该1号试样表面的润湿照片(b)。
[0021] 图3 为实施例中2号试样（金属涂层组成为20Mo+15Co+65Si）剖面(a)和Cu在该2号试样表面的润湿照片(b)。
具体实施方式
[0022] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述，本发明所述的Mo、Ni或Co中的一种和Si粉的一定质量百分比组成为：10~40%的Mo，15~40%的Ni或Co，30~70%的Si。
[0023] 本发明所述的有机粘结剂为松油醇+乙基纤维素溶液，且松油醇：乙基纤维素：金属混合粉末= 9g: 1g: 10g。
[0024] 所述的真空熔覆温度为1250~1400 ℃，保温时间为10~30 min。
[0025] 一种碳化硅陶瓷表面真空熔覆金属涂层的方法，该方法由如下步骤组成：
[0026] 1）将市售Mo、Ni或Co中的一种和Si粉按一定质量百分比组成进行称重、混合，在滚筒球磨机中，以硬质合金球或玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球磨24~72小时制成金属混合粉末。
[0027] 2）将上述金属混合粉末置于80℃真空烘箱中烘干，并过200目筛。
[0028] 3）取部分上述过筛好的金属混合粉末，加入有机粘结剂，充分搅拌后得到均匀膏剂。
[0029] 4）用手工涂刷或丝网印刷方法将膏剂覆盖在清洁处理的碳化硅陶瓷表面上；
[0030] 5）将涂覆的碳化硅陶瓷片，置于真空度≤4×10-2Pa的真空炉中，以3~10℃/min加热至一定温度，保温一定时间，使金属混合粉末完全熔覆在陶瓷表面，再以3~5℃/min冷却至室温，形成致密的金属涂层。
[0031] 1）将市售Mo、Ni、Co和Si粉按表1的配方进行称重、混合，在滚筒球磨机中，以硬质合金球或玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球磨24~72小时制成金属混合粉末，具体配方见表1。
[0032] 表1 金属涂层配方
[0033]
[0034] 2）将上述金属混合粉末置于80℃真空烘箱中烘干，并过200目筛，[0035] 3）取部分上述过筛好的金属混合粉末，加入松油醇+乙基纤维素溶液（松油醇：乙基纤维素：金属混合粉末= 9g: 1g: 10g），充分搅拌后得到均匀膏剂。
[0036] 4）用手工涂覆或丝网印刷方法将膏剂覆盖在清洁处理的碳化硅陶瓷表面上。-2
[0037] 5）将涂覆的碳化硅陶瓷片，置于真空度≤4×10 Pa的真空炉中，以3~10℃/min加热至1250~1400 ℃，保温10~30 min，使金属混合粉末完全熔覆在陶瓷表面，再以3~5℃/min冷却至室温，形成致密的金属涂层（图1为1和2号试样宏观照片），试样的涂覆方法及熔覆工艺如表2所示。
[0038] 表2 试样的涂覆方法及熔覆工艺
[0039]
[0040] 6) 将金属化好的碳化硅陶瓷，用金刚石
锯片沿垂直于涂层方向切开，磨平
抛光后，在扫描电镜下观察涂层的厚度以及基体与涂层的厚度及涂层组织形貌（其中图2a和图3a为1和2号试样的剖面），涂层显微结构测试结果如表3所示。
[0041] 表3 涂层显微结构测试结果
[0042]
[0043] 7) 采用高温润湿设备测试Cu和Al在不同金属化陶瓷衬底表面的
润湿角。对于－4Cu，测试条件为：1120 °C、保温15 min、升温速度5°C/分钟，真空度为4×10 Pa。对－4
于Al，测试条件为：900 °C、保温15 min、升温速度5°C/分钟，真空度为4×10 ；两种纯金属在不同金属化陶瓷上的
接触角测试结果如表4所示，其中图2b和图3b为Cu与在1和2号试样表面的润湿照片。
[0044] 表4 两种纯金属在不同金属化SiC陶瓷试样表面上的润湿角
[0045]
[0046] 从图2b、图3b和表4可里看出，与Cu或Al对未表面处理的相比SiC陶瓷润湿性（润湿角分别约为140º和110º）相比，Cu或Al对本
申请真空熔覆处理的SiC陶瓷具有优良的润湿性（接触角<40º），有助于后续的SiC陶瓷与金属的钎焊连接。
[0047] 本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的、而不是限制性的。本发明可与实施方案后续的钎焊、电子封装等工序一体化使用。
