改善铝对氧化铝陶瓷润湿性的方法
技术领域
本发明属于陶瓷加工和金属基复合材料技术领域，具体涉及一种改善铝对氧化铝陶瓷润湿性的方法。
背景技术
作为一种基本的物理化学现象，金属熔液对陶瓷的润湿性在材料制备中有着重要的应用，且一直得到关注，新型陶瓷的涌现和金属基复合材料3D打印等新技术的发展，又为润湿行为的研究注入了新活力。
Al/Al2O3是一个典型的金属/陶瓷体系，在Al基复合材料和Al2O3陶瓷钎焊等方面有许多的应用，而其中Al对Al2O3陶瓷的润湿行为则是最为重要的关键问题之一，并且一直以来得到广泛关注。然而，由于Al液表面始终存在着极难去除的氧化膜，很难获得Al液对Al2O3陶瓷的直接接触，使得Al对Al2O3陶瓷的润湿很难实现，而且即使通过技术手段去除了Al液表面的氧化膜，在较低的熔化温度下，Al液也不能直接润湿Al2O3陶瓷。
现有技术主要通过两种手段改善Al对Al2O3陶瓷的润湿性，一是采用反应润湿的方法，即在Al2O3陶瓷表面烧结或镀覆能与Al2O3反应的活性金属层(如Mo、W等)，或者是在Al液中添加活性元素(如Mg、Ti、V等)，或者采用其它技术手段使Al液与Al2O3陶瓷发生反应，从而实现反应润湿，例如Ali等在题为“Mg的添加对Al/Al2O3润湿性的影响”的研究论文[AliSangghaleh,Mohammad Halali.Effect of magnesium addition on the wetting ofalumina by aluminium.Applied Surface Science,2009,255:8202–8206]报道：Mg的添加使得Al液与Al2O3陶瓷发生反应，形成反应过渡层，提高Al对Al2O3陶瓷的润湿性，在950℃时，接触角可由纯Al的105°降低至Al-7at.％的85°。二是采用升高温度的方法，使得Al与Al2O3陶瓷的润湿状态由不润湿转变为润湿，例如Shen等在题为“影响Al对α-Al2O3润湿性的关键因素”的研究论文[Ping Shen,Hidetoshi Fujii,Taihei Matsumoto and KiyoshiNogi I.Critical factors affecting the wettability ofα-Alumina by moltenaluminum.Journal of The American Ceramic Society,2004,87(11):2151–2159]中报道：在Al/Al2O3组成的体系中，Al液对Al2O3陶瓷润湿角由700℃的110°降低到了1050℃的85°。
但是，现有两种改善Al对Al2O3陶瓷性润湿方法都有其缺点和不足，前者会在Al和Al2O3陶瓷的界面产生脆性的反应过渡层，从而降低界面结合强度，不论在陶瓷颗粒增强金属基复合材料领域还是在陶瓷连接领域，都会大幅度降低材料的各项性能；而后者则需要大幅提高温度才能实现润湿，即需要在850℃以上才能实现润湿，如此高的温度会导致铝液过烧从而降低材料的性能。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种改善铝对氧化铝陶瓷润湿性的方法，即通过磁控溅射的方法在氧化铝陶瓷表面沉积铝/铜双层膜，可以在较低温度下实现铝对氧化铝陶瓷的直接润湿。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种改善铝对氧化铝陶瓷润湿性的方法，其包括如下步骤：
(1)、先对氧化铝(Al2O3)陶瓷表面进行抛光处理，再经超声后放置真空室内；
(2)、将真空室的背底气压预抽至低于4×10-4Pa，并将氧化铝陶瓷加热至200-400℃，且保温10-30min；
(3)、待氧化铝陶瓷的温度降至室温后，对真空室充入氩气，并保持压强为0.3-0.6Pa；
(4)、对氧化铝陶瓷进行磁控溅射时，先采用铝(Al)靶由直流阴极控制，得到铝层；在所述铝层的表面再采用铜(Cu)靶由射频阴极控制，得到铜层，整个薄膜沉积过程中，氧化铝陶瓷基片不加热也不施加负偏压。
进一步地，步骤(1)中，超声的过程为：经抛光处理后的氧化铝陶瓷分别在丙酮和酒精中超声清洗10-20min。
进一步地，步骤(3)中，氩气的纯度为99.999％。
进一步地，步骤(4)中，铝靶的外径为50-80mm，纯度为99.999％；铜靶的外径为50-80mm，纯度为99.999％。
进一步地，步骤(4)中，铝层的厚度为0.2-2μm，铜层的厚度为10-100nm。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
第一、本发明通过磁控溅射的方法在Al2O3陶瓷表面沉积Al/Cu双层膜，从而改善了Al或Al合金对Al2O3陶瓷的润湿性。
第二、利用本发明的方法实现了Al对Al2O3陶瓷的直接润湿，润湿界面处不存在任何反应过渡层，可获得高的界面强度，从而提高复合材料的强度、硬度、模量等力学性能；另外，仅在680℃的较低温度下Al就可完全润湿Al2O3陶瓷，其润湿角小于10°。
第三、本发明可以提升工业生产的效率，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明的未沉积Al/Cu双层膜(a)和沉积Al/Cu双层膜(b)的Al2O3陶瓷片示意图。
图2为本发明的Al2O3陶瓷片的润湿性实验对比示意图，其中，a和c：未沉积Al/Cu双层膜的Al2O3陶瓷片；b和d：沉积Al/Cu双层膜的Al2O3陶瓷片。
具体实施方式
本发明提供了一种改善铝对氧化铝陶瓷润湿性的方法。
具体地，本发明的改善铝对氧化铝陶瓷润湿性的方法包括如下步骤：
(1)、在镀覆涂层前，先将Al2O3陶瓷表面进行抛光处理以降低其表面粗糙度，然后分别在丙酮和酒精中超声清洗15min，再放置真空室内；
(2)、正式镀膜前，将真空室的背底气压预抽至低于4×10-4Pa，并将Al2O3陶瓷加热至400℃，保温10min以去除其表面吸附的杂质和气体；
(3)、待Al2O3陶瓷冷却至室温后，对真空室充入高纯Ar(纯度为99.999％)，并保持压强为0.6Pa；
(4)、对Al2O3陶瓷进行磁控溅射时，先采用外径为76mm的Al靶(纯度为99.999％)由直流阴极控制，得到Al层；在所述Al层的表面再采用外径为76mm的Cu靶(纯度为99.999％)由射频阴极控制，得到Cu层，整个薄膜沉积过程中，Al2O3陶瓷基片不加热也不施加负偏压。
其中，在步骤(4)中，在Al/Cu双层膜中，Al层是双层薄膜的底层，厚度为0.2-2μm，Cu层是双层薄膜的表面层，厚度为10-100nm，这些很薄的Cu层可以防止Al膜继续氧化。在Al/Cu双层膜中，表面层金属不限于Cu，只要表面层金属和Al能够发生反应即可。
具体地，磁控溅射产生的高能量溅射Al粒子直接沉积时对Al2O3陶瓷表面的撞击作用足以克服能垒，Al2O3表面的O原子和Al液高温下才能获得Al-O化学键，并且这些界面的Al-O化学键一旦形成，在Al薄膜加热熔化后仍能保持，从而使Al液在刚熔化的温度下就能够润湿Al2O3陶瓷。
以下结合本发明的内容对Al2O3陶瓷片进行直接钎焊：
将两片Al2O3陶瓷片(25×25×0.8mm)的一平面进行抛光并清洗，如图1所示，其中一Al2O3陶瓷片采用磁控溅射方法在抛光的陶瓷面上镀覆Al/Cu双层膜涂层，另外一Al2O3陶瓷片未沉积双层薄膜，将两陶瓷片均放置于真空炉中，在样品上放置经清洗的小铝块，小铝块尺寸为2×2×2mm，真空炉中经预抽空至10-5Pa后，加热至680℃保温10min后随炉冷却，并比较熔化的小铝块在两种样品上的铺展效果，其中，润湿实验采用传统的座滴法进行。
实施例：在Al2O3陶瓷面上沉积Al/Cu双层膜，Al层厚度为1μm，Cu层厚度为50nm，加热到680℃保温10min后，Al液几乎完全润湿Al2O3陶瓷片，其润湿角小于10°。
对比例：未沉积Al/Cu双层薄膜的Al2O3陶瓷，加热到680℃保温10min后，Al液不能润湿Al2O3陶瓷片，其润湿角为148°。
图2比较了铝块在两种Al2O3陶瓷片上熔化冷却后的润湿行为。在未沉积Al/Cu双层膜样品的图2a中，熔化的铝块聚集成了球形，图2c的接触测量结果显示，此时Al对Al2O3陶瓷的接触角为148°，这些结果表明该样品上由铝块和薄膜熔化后的Al液不能润湿Al2O3。然而，沉积有Al/Cu双层膜的Al2O3陶瓷样品则表现出截然不同的行为，由图2b可见，铝块熔化后的液体已经与所沉积的薄膜一起完全铺展于陶瓷的表面。图2d的接触角测量结果表明，此时Al对Al2O3陶瓷的接触角小于10°，几乎完全润湿。以上两图的对比充分证明了在Al2O3陶瓷表面沉积Al/Cu双层膜可以极大的改善Al对Al2O3陶瓷的润湿性。
以上表明，采用磁控溅射的方法在Al2O3陶瓷表面沉积的Al/Cu双层膜，能够明显改变Al对Al2O3陶瓷的润湿性，从而实现Al对Al2O3陶瓷的润湿；故本发明的润湿实验采用传统的座滴法，在680℃下就可获得Al对Al2O3陶瓷的几乎完全润湿，其润湿角小于10°。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
