В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Способы изготовления герметичных неразъемных соединений
Способы изготовления герметичных неразъемных соединений - Керамические соединения
Элементы вакуумных конструкций - Способы соединения ваккумных систем
Оглавление
Способы изготовления герметичных неразъемных соединений
Соединение стекло — стекло
Соединение стекло — металл
Соединение металл — металл
Керамические соединения
Соединения других материалов
Все страницы

Соединение керамики с керамикой можно осуществить, используя технологию пайки стекла с помощью специально разработанных стеклоцементов, как расстекловывающихся, так и нерасстекловывающихся. Для керамики, имеющей в своем составе стекловидную фазу, не возникает проблем со смачиванием соединяемых поверхностей расплавленным стеклоцемен-том для получения вакуумно-плотного соединения. Однако для чистой алюмооксидной керамики обеспечение хорошей смачиваемости весьма затруднительно. Даже если используется стек-лоцемент расстекловывающегося типа, получающееся соединение приходится эксплуатировать при более низких температурах, чем позволяет керамика, что до некоторой степени снижает преимущества керамики перед стеклом.

Другим методом соединения является металлизация керамики с последующей ее пайкой, как и в случае металлических деталей. Такие соединения выдерживают нагрев до 1000°С и выше.

Высокочистую алюмооксидную керамику металлизировать довольно трудно, особенно если требуется высокотемпературное соединение. Установлено [47], что вакуумно-плотное и прочное высокотемпературное соединение может быть получена при использовании керамического припоя на основе системы оксидов Al2Os-CaO-MgO-SiO2, температура плавления которого превышает 1200 °С.

Некоторые керамические материалы могут быть соединены со стеклом путем прямого сплавления, однако при этом необходимо, чтобы коэффициенты термического расширения керамики и стекла были близкими. Выполнить это условие довольно трудно ввиду того, что для керамических материалов не характерно резкое увеличение коэффициента термического расширения в точке отжига, свойственное стеклу. Стекло и керамика с низкими коэффициентами термического расширения наилучшим образом подходят для соединения, особенно если керамика имеет в своем составе значительное содержание стеклянной фазы. При этом чаще всего используют технологию соединения на основе стеклоцемента.

В случае алюмооксидной керамики такие соединения получить трудно. Керамика в высоковакуумных системах применяется главным образом в качестве изоляторов для электрических сквозных вводов, и, следовательно, наибольший интерес для таких устройств представляют способы соединения керамики с металлом. Первые исследования, в которых были развиты основы этой технологии, были проведены в электронной промышленности в 1940-х гг. в связи с разработкой приборов микроволновой техники. Как и в случае стекла, наилучшие соединения получаются для металлов и керамик, которые обладают схожими коэффициентами термического расширения в широком температурном интервале.

Однако, поскольку керамика прочнее стекла, нет необходимости в точном совпадении этих коэффициентов. На рис. 2.10 представлены кривые коэффициентов термического расширения для нескольких керамических материалов, а также соединяемых с ними металлов. На рис. 2.12 видно, что коэффициенты термического расширения алюмооксидной керамики и железоникелевых сплавов значительно отличаются друг от друга. Однако прочность и термостойкость алюмооксидной керамики, с одной стороны, и пластичность железоникелевого сплава, с другой, позволяют получать вакуумно-плотные и прочные соединения этих материалов.

Как правило, при соединении керамики с металлом керамику сначала металлизируют, а затем спаивают с металлом при помощи тех же материалов, что и в случае пайки металла с металлом

Ключевым условием создания вакуумно-плотного и прочного соединения керамики с металлом является обеспечение хорошей когезии между керамической поверхностью и слоем нанесенного металла. Эта проблема тщательно изучалась, и в результате было разработано несколько способов металлизации керамики, среди которых основными являются твердофазный и способ с использованием «активного» металла. По первому способу суспензия тонко измельченного порошка металла (вольфрама, молибдена, железа или никеля) в растворе нитроцеллюлозы наносится кистью или как-либо иначе на керамику в виде полосы — точно по месту спайки. Покрытая суспензией керамика отжигается в атмосфере водорода при температуре несколько ниже точки размягчения керамики, как правило, в интервале температур 1300—1600 °С.

Для того чтобы полученную металлизированную керамику можно было паять, необходимо второе покрытие, которое хорошо смачивалось бы расплавленным припоем. Для этого используют никель или медь, которые обычно наносятся гальваническим способом. Прочность соединения металлической пленки с керамикой улучшается, если к порошку металла добавить марганец. Обычно порошкообразная смесь для алюмооксидной керамики состоит из молибдена и марганца в массовом соотношении 4 : 1. Считается, что марганец в процессе отжига окисляется и образует с SiO2 фазу, обладающую низкой температурой плавления, которая затем прочно связывается с молибденом.

Таким образом, этот способ соединения керамики с металлом может быть успешно реализован только в том случае, если в керамике присутствует по меньшей мере 1,5% стекловидной фазы SiO2. В некоторых случаях в металло-марганцевую смесь добавляют SiO2 в виде порошка для обеспечения вакуумно-плотных и прочных соединений с чистой алюмооксидной керамикой (>98% чистоты).

Второй метод соединения керамики с металлом основан на использовании легко окисляемых активных металлов, таких, как цирконий, тантал и титан, которые при сплавлении с керамикой образуют прочную химическую связь. Рассматриваемые металлы обладают очень высокой температурой плавления (около 17000C), поэтому для получения соединений с более низкой рабочей температурой используются либо сплавы этих металлов, либо их гидриды. Для получения такого соединения на керамическую поверхность наносится суспензия гидрида титана или циркония, а затем керамика подвергается нагреву в вакууме до температуры разложения гидрида (около 600 0C).

В результате получается керамика, покрытая слоем металла, которая затем может быть припаяна к металлической детали обычным способом. В процессе пайки происходит реакция с образованием химических связей при одновременном сплавлении титана с металлической деталью. Реакция протекает в отсутствие SiO2. Несмотря на то что этот способ освоен промышленностью, прочность получаемого соединения ниже, чем в случае твердофазного. Для алюмооксидной керамики высокой чистоты ни один из рассмотренных способов соединения не подходит.

Предложен метод соединения, основанный на использовании смеси оксидов (см. выше) с добавлением порошка оксида молибдена (80 вес. % окиси молибдена, остальное — смесь оксидов). Кроме рассмотренных способов металлизации керамики, разработан ряд других. Удовлетворительные результаты получены при металлизации керами ки методом напыления.

Вне зависимости от того, какой процесс металлизации керамики выбран, весьма важно, чтобы соединяемые детали были тщательно обезгажены и очищены, а также не имели механических дефектов, таких, как трещины или неровности. Использование в качестве припоя эвтектики1' существенно, особенно в случае использования активных металлов, поскольку такие металлы, как, например, титан и никель, могут образовывать хрупкие интерметаллические соединения.

Кроме того, керамика может быть соединена с металлом термокомпрессионным способом. Разработана конструкция устройства, с помощью которого посеребренная муфта из ин-конеля обжимается вокруг конического конца керамической трубы, создавая вакуумно-плотное соединение. С некоторым успехом проводились эксперименты по соединению керамики с металлом методом прессования при повышенных температурах в условиях вакуума или в среде инертного газа. Очевидно, использование этого метода ограничено ввиду его пригодности только для соединения деталей встык или в дисковых соединениях.

Наконец, керамика может соединяться с металлом посредством стеклоцементов, особенно расстекловывающегося типа с высокой температурой плавления.




 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   

 

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 124 гостей на сайте

Нов боков адс адаптивный

=
Рейтинг@Mail.ru