采用梯度玻璃陶瓷中间层粘合的蓝宝石/多孔Si3N4接头微观结构演变及力学性能研究

《Journal of the European Ceramic Society》：Microstructural evolution and mechanical properties of sapphire/porous Si 3N 4 joints bonded using gradient glass-ceramic interlayer

　　

摘要

通过使用功能梯度玻璃陶瓷层，将透明蓝宝石和多孔Si₃N₄成功结合在一起。制备了两种基于ZBAS的玻璃陶瓷填料：ZnO-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂（C0）和ZnO-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂-CaO（C5），并对其进行了表征，以用于蓝宝石和多孔Si₃N₄的结合。在840°C下熔合30分钟后，蓝宝石界面形成约0.4 μm厚的ZnAl₂O₄反应层，玻璃渗入多孔Si₃N₄的深度为12.7-18.9 μm。C0组材料的反应主要生成ZnAl₂O₄ + Zn₂SiO₄，而C5组材料则主要以ZnAl₂O₄为主，从而在C0/C5梯度层间建立了6.49×10^-6至7.34×10^-6K^{-1的热膨胀系数（CTE）梯度。使用C0/C5梯度层的接头的最大剪切强度达到了31 MPa，比单层C5玻璃陶瓷的剪切强度（25 MPa）高出24%。断裂发生在多孔Si₃N₄陶瓷内部，证明了接头的强度牢固。有限元模拟证实，与单层陶瓷相比，梯度CTE能将蓝宝石中的峰值残余应力降低约10%，将层间应力降低约30%，验证了梯度层在应力缓解方面的有效性。}

引言

蓝宝石（单晶α-Al₂O₃）具有优异的机械性能、化学稳定性和光学透明度，广泛用于高性能光学窗口应用[1]、[2]、[3]、[4]。多孔氮化硅（P-Si₃N₄）是一种新兴的结构-功能材料，具有出色的耐高温性、优异的介电性能和低密度（<1.8 g·cm^-3），是轻质微波传输组件的理想候选材料[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。如果能够实现这两种陶瓷之间的可靠结合，将为开发集成光学和波传输多功能组件提供宝贵参考，从而加速其在工程应用中的实际应用。

目前常见的陶瓷连接方法主要包括活性金属钎焊[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、玻璃陶瓷粘合[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]和扩散粘合[25]、[26]，其中玻璃陶瓷粘合具有CTE的灵活可调性[23]、[27]。通过成分设计可以制备梯度层间结构，有效缓解异质基板间CTE不匹配引起的残余应力[28]、[29]。玻璃陶瓷层间具有较低的介电损耗，有助于确保信号传输的稳定性和准确性。

先前的研究已经证明，使用玻璃陶瓷层可以将蓝宝石与蓝宝石以及P-Si₃N₄与P-Si₃N₄成功连接，表明某些玻璃陶瓷体系对这些陶瓷基板具有优异的润湿性和结合能力。对于蓝宝石的结合，已经报道了几种玻璃体系，包括ZnO-Al₂O₃-SiO₂（ZAS）[30]、Bi₂O₃-B₂O₃（BB）[31]和La₂O₃-Al₂O₃-SiO₂（LAS）[32]。其中，ZAS玻璃陶瓷在蓝宝石上表现出良好的润湿行为，并促进在界面处形成ZnAl₂O₄反应层，从而增强界面结合强度[30]。此外，ZAS基玻璃陶瓷析出的主要晶相是ZnAl₂O₄和ZnSi₂O₄，它们的热膨胀系数（CTE）介于蓝宝石和P-Si₃N₄之间。这一特性为优化玻璃陶瓷层的整体CTE和减轻热应力提供了有效方法[27]、[30]。对于P-Si₃N₄陶瓷，Sun等人分别使用MgO-Al₂O₃-SiO₂（MAS）[33]、[34]、[35]和CaO-Al₂O₃-SiO₂（CAS）[37]玻璃陶瓷成功实现了结合。他们的研究表明，形成适当厚度的渗入层可以通过促进机械互锁和界面结合显著提高接头强度。这些发现表明，玻璃陶瓷对P-Si₃N₄的良好润湿性和渗透行为是决定接头性能的关键因素。尽管取得了这些进展，但蓝宝石与P-Si₃N₄的结合尚未被报道。与类似材料的接头相比，由于蓝宝石和P-Si₃N₄的物理和热机械性能差异较大，二者之间的结合更具挑战性。特别是，蓝宝石（6.78×10^-6K^-1）和P-Si₃N₄（2.54×10^-6K^-1）之间的CTE差异较大，这种不匹配在冷却过程中可能会产生显著的残余应力，可能导致界面裂纹、强度下降和接头可靠性降低。因此，成功的结合不仅需要玻璃陶瓷与两种基板之间具有良好的润湿性和界面反应，还需要通过适当的层间设计和微观结构控制来有效调节残余应力。解决这些问题对于实现可靠的蓝宝石/P-Si₃N₄接头至关重要，也是本研究的主要目的。

章节片段

实验方法

本研究中使用的蓝宝石和P-Si₃N₄基板（CTE分别为6.78×10^-6K^{-1和2.54×10-6K-1，适用温度范围为35 °C至400 °C）由中国山东省的山东工业陶瓷研究院有限公司提供。多孔Si₃N₄陶瓷采用Y₂O₃和Al₂O₃作为烧结添加剂，通过气压烧结制备而成。所得陶瓷的孔隙率为约47%，三点弯曲强度为137 ± 10 MPa。}

ZBAS玻璃的表征

图3显示了制备的玻璃填料的SEM图像和XRD图案。这两种玻璃填料由直径小于10 μm的不规则颗粒组成。典型的宽化峰表明在制备过程中没有发生结晶。

T_{g（玻璃转变温度）可以通过DSC曲线（图4a）确定。C0和C5玻璃的Tg分别为536 ℃和540 ℃，说明CaO的加入对其有影响。}

结论

本研究成功地使用ZBAS梯度玻璃陶瓷层将蓝宝石与P-Si₃N₄陶瓷连接在一起，减轻了接头中的残余应力。结论如下：

• 对玻璃C0和C5的动态表征显示，ZnAl₂O₄纳米晶体在第一个结晶峰处析出，而Zn₂SiO₄在第二个结晶峰处析出。CaO的加入延缓了第二结晶相的析出，表明其对结晶动力学有影响。

CRediT作者贡献声明

Shan Tipeng：验证。Liu Chunfeng：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，实验研究。Liang Xintao：撰写 – 原稿，方法学，实验研究。Zhang Jie：监督，资源协调。Wang Shuohao：项目管理。Sun Liangbo：方法学，资金获取，概念化。Han Jie：软件开发。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52402071和52371024）以及黑龙江省博士后科学基金（项目编号LBH-Z22168）的财政支持。

Chunfeng Liu | Xintao Liang | Liangbo Sun | Jie Han | Jie Zhang | Shuohao Wang | Tipeng Shan哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨，150001，中国