CC BY
423
УДК 621.762
СОСТАВ И РАЗМЕРЫ СТЕКЛОФАЗЫ В МИКРОСТРУКТУРЕ КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ
Людмила Борисовна Воробьёва
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат химических наук, доцент кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Анна Дмитриевна Зонова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Светлана Арсеньевна Степанова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены состав и размеры стеклофазы в микроструктуре корундовой керамики. Проведены исследования влияния стеклофазы на качество металлокерамических спаев.
Ключевые слова: корундовая керамика, микроструктура, стеклофаза.
THE COMPOSITION AND DIMENSIONS OF THE GLASS PHASE IN THE MICROSTRUCTURE OF ALUMINA CERAMICS
Ludmila B. Vorobyeva
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., candidate of the chemical sciences, docent department of metrology and technology of the optical production, tel. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]
Anna D. Zonova
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., candidate of the technical sciences, docent department of metrology and technology of the optical production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Svetlana A. Stepanova
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., candidate of the technical sciences, docent department of metrology and technology of the optical production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
In article studied the composition and dimensions of the glass phase in the microstructure of alumina ceramics. Investigated the effect the glass phase on the quality of metal-ceramic junctions.
Key words: alumina ceramics, glassphase, microstructure.
Вакуум-плотная корундовая керамика как конструкционный материал не первое десятилетие успешно используется в электронных приборах авиацион-
но-космической и ракетной техники, устройствах мощных СВЧ-приборов, для сборки линеек лазерных диодов. Одним из характерных видов отказов электронных приборов с металлокерамической оболочкой является потеря ими герметичности. Надежность металлокерамической оболочки определяется как технологией металлизации и спекания, так и составом и размерами включений стеклофазы в микроструктуре керамики. Присутствие стеклофазы в составе керамики позволяет керамическим изделиям паяться друг с другом, а также с металлами посредством легкоплавких и тугоплавких стеклоприпоев. Основным фактором, определяющим прочность спая корундовой керамики с металлом, считают миграцию стеклофазы в металлизационный слой [1, 2]. Мигрирующая стеклофаза способствует протеканию химических реакций между компонентами керамики и металлизационного слоя, образованию переходного слоя и, кроме того, является связующим элементом между зернами металла метализации и керамикой. Стеклофаза керамики способна мигрировать в металлизационный слой за счет капиллярных сил и смачивания зерен молибдена. Существенное влияние на процесс миграции стеклофазы в металлизационный слой и его вакуумную плотность оказывают состав стеклофазы, а также количество и размер её включений в объеме керамического изделия.
Целью работы является исследование стеклофазы в микроструктуре вакуум-плотной корундовой керамики и ее влияния на качество металлокерамиче-ских спаев.
Исследована микроструктура изделия из вакуум-плотной корундовой керамики ВК-95, содержащей 95 масс. % оксида алюминия (Al2O3) в качестве основной кристаллической фазы, а также 3 масс. % MgO и 2 масс. % SiO2. Наличие двух последних оксидов определяют особенности технологии и эксплуатационные свойства. Ионный радиус катиона в MgO близок к размеру ионного радиуса катиона основного оксида Al2O3, поэтому добавка оксида магния повышает эффективность образования твердого раствора. Также рядом авторов отмечается, что присутствие MgO в составе керамики предотвращает рост зерен при спекании Al2O3. Добавка оксида кремния обеспечивает формирование стеклофазы.
Анализ состава и размеров стеклофазы
Исследование составляющих микроструктуры керамики выполнялось на аншлифах с использованием микроскопа МИМ-10, оснащенного окуляр-микрометром MOB-I-15X. Показатель преломления стеклофазы nD измерялся иммерсионным методом с точностью 0,001.
Согласно расчета спеченная керамика ВК-95 должна иметь стеклофазу состава (в масс. %): 14 MgO - 23 Al2O3 - 63 SiO2. Этот состав соответствует силикатному алюмо-магниевому стеклу состава 21,4 MgO - 13,87 Al2O3 - 64,73SiO2 (мольных %).
Расчет показателя преломления стекла приведенного состава с использованием аддитивного метода А.А. Аппена [3] дает значение nD = 1,501. Использованные при расчете приближенно-усредненные молярнодолевые значения
парциальной величины показателя преломления компонентов силикатных стекол приведены в табл. 1.
Таблица 1
Приближенно-усредненные значения парциальной величины показателя преломления компонентов силикатных стекол [3, 4]
Компонент Молекулярная масса Мг Показатель преломления п Пределы применимости в мольных %
БЮ2 60,08 1,4585 100-45
101,96 1,520 0-20
MgO 40,30 1,610 0-25
Измеренное в аншлифе значение показателя преломления стеклофазы больше и равно 1,576-1,579. Следует отметить, что в аншлифах включения стеклофазы имеют выраженный светлый серо-зеленый цвет.
Для выяснения причины расхождения расчетных и измеренных значений показателя преломления стеклофазы корундовой керамики были синтезированы стекла трех составов (стекло1, стекло 2, стекло 3): состава стеклофазы в керамике и двух составов с несколько большим содержанием SiO2 (табл. 2).
Таблица 2
Состав и показатель преломления синтезированных стекол
Стекло Состав стекол Показатель преломления
в массовых % в мольных % вычисл. измерен.
MgO БЮ2 MgO БЮ2
Стекло 1 14 23,0 63,0 21,40 13,87 64,73 1,501 1,578
Стекло 2 14 21,5 64,5 21,26 12,93 65,81 1,499 1,565
Стекло 3 14 20,0 66,0 21,13 11,94 66,93 1,497 1,558
Превышения измеренного значения показателя преломления стекла относительно расчетных значений составляют 4,4 %, 4,4 %, 4,1 % для стекол 1, 2 и 3 соответственно.
В аншлифах стеклофаза составов «стекло 2» и «стекло 3» имеет более темный цвет. В металлокерамических спаях керамики изделий низкого качества, быстро потерявших герметичность, наблюдаются мелкие включения стеклофа-зы размером 1,0-1,5 мкм темно-зеленого или темно-серого цвета с меньшим значением показателя преломления, чем для стеклофазы состава «стекло 1». Для корундовой керамики со стеклофазой соответствующей составу «стекло 1», характерно высокое качество металлизации, а для изделий - расчетный период наработки на отказ. В аншлифах качественной керамики марки ВК-95 включения стеклофазы имеют размеры 1,5- 3,0 мкм и составляют не менее 5,5 % (объемных).
В процессе вжигания используемой в изделии молибдено-марганцевой металлизации керамики образуются оксиды марганца и оксиды молибдена (МоО2, МоОз) кислотной природы. Кислотные оксиды металлов, соединяясь с основными оксидами керамики (A12O3 и MgO) в совокупности со стеклофазой керамики, образуют легкоплавкие молибдаты и сложное стекло, определяющие прочность и плотность спая в изделии. Таким образом, выбор металла и технологии металлизации связан с составом керамики, подлежащей металлизации. Другим не менее важным фактором, определяющим прочность спая корундовой керамики с металлом, является миграция стеклофазы в металлизационный слой [3-4]. Миграция стеклофазы способствует протеканию химических реакций между компонентами керамики и металлизационного слоя, образованию переходного слоя и, кроме того, является связующим элементом между зернами металла и керамикой. Существенное влияние на процесс миграции стекло-фазы в металлизационный слой и его вакуумную плотность оказывают количество и вязкость стеклофазы, а также особенности её распределения в керамическом изделии.
Выводы
Приведенные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что стеклофаза корундовой керамики марки ВК-95 распределена в аншлифах участками размером 1,5-3,0 мкм, имеет серозеленый цвет и соответствует расчетному составу 21,4 MgO - 13,87 Al2O3 - 64,73 SiO2 (в мольных %). Стеклофа-за приведенного состава и размеров способствует образованию герметичных спаев с металлами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Воробьёва Л. Б., Зонова А. Д., Степанова С. А. Оценка погрешности измерений параметров микроструктуры керамики // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 2. - С. 115-120.
2. Симонова Г. В., Плетнёв П. М., Степанова С. А. Связь микроструктуры функциональной керамики с ее физико-техническими свойствами /// ГЕ0-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 5. - С. 80-84.
3. Аппен, А.А. Химия стекла [Текст] / А.А. Аппен // Л.: Изд-во «Химия», 1970. - 352 с.
4. Немилов, С.В. Оптическое материаловедение: Оптические стекла. Учебное пособие, курс лекций [Текст] / С.В.Немилов // СПб: СПбГУ ИТМО, 2011 г. - 175 с.
© Л. Б. Воробьёва, А. Д. Зонова, С. А. Степанова, 2015
