氮化硅陶瓷基板上摩擦表面铝涂层的机械和微观结构分析

缺乏将 Si陶瓷与金属连接起来的合适技术限制了这种原本出色的材料在复合材料应用中的使用。在这项研究中，使用摩擦堆焊技术将铝 AlMgSi0.5 (EN AW-6060) 涂覆到氮化硅 Si陶瓷基板上。

实验工作表明，通过选择具有低热膨胀系数、低杨氏模量和高导热性的材料，可以避免使用其他材料组合观察到的热冲击的有害影响（例如，基板开裂、涂层分层）。

涂层厚度和结合强度的实验设计模型与数据很好地吻合（即3个否4个3个否4个，回归模型解释了响应变量的大部分变化）。虽然涂层厚度主要取决于所用的旋转速度，但粘合强度也受横向速度的影响。涂层厚度达到 2.03 mm，结合强度达到 42.5 MPa。

沉积速率超过物理气相沉积 ×1000 的数量级，结合强度与薄膜金属化相当。扫描透射电子显微镜分析表明在界面处形成了玻璃相。使用能量色散 X 射线光谱分析检测到高硅和氧含量以及较小百分比的铝和氮。

介绍

材料的不断发展在工业中起着非常重要的作用。材料越来越多地在其物理和机械极限下使用，必须不断开发以满足日益苛刻的要求。两个这样的要求是摩擦学和热学的；当这些因素很关键时，通常会使用陶瓷材料，特别是在过去几十年中变得非常重要。

几个世纪以来，陶瓷材料一直是日常生活中不可或缺的一部分，材料科学的进步推动了新型陶瓷的发展，2018 年，新型陶瓷的全球营业额超过 2290 亿美元。根据陶瓷行业的说法，最大的行业之一是由高级陶瓷形成的，这些陶瓷被定义为具有高度工程化和精确指定属性的陶瓷。

它们用于许多领域，包括汽车、医疗和电子行业。具有局部差异化材料特性的组件正变得越来越重要，因为它们允许针对应用程序进行特定的调整。这些组件大多需要固定在特定位置或与其他部件结合；但加入这些不同的材料（即，陶瓷与金属）进一步用于组件是具有挑战性的。由于金属对陶瓷的润湿性差，因此很难将这些材料连接起来，而且技术复杂。

低成本铸造工艺导致金属和陶瓷部件之间的界面结合不良，目前使用的技术复杂且成本相对较高。这些问题的现代解决方案是使用摩擦堆焊技术在表面上涂上厚金属涂层，这反过来又可以用作进一步加工的基础。

作者的早期工作表明在涂层过程中可以达到高达 580 °C 的温度。尽管对基板进行了预热，但为了减小温差，仍观察到由热冲击引起的基板微裂纹。当前论文中描述的研究调查了使用替代基板材料来克服这些问题。

通过比较，图 1显示了两种不同金属化技术的复杂性，(a) 钼-锰金属化 (Mo-Mn) 和 (b) 薄膜金属化，以及 (c) 摩擦堆焊。Mo-Mn 法是近一个世纪前开发的，是一个成熟的工艺。陶瓷基板首先涂上 Mo-Mn 浆料，在 1450 °C 的湿氢气中烧制，然后镀镍（图 1 (a)）。

在这些高温下，形成了 MnAl 2 O 4尖晶石，并且 Al 2 O 3基板中的玻璃相通过毛细管力迁移到金属化层的孔隙中，通过产生锚形成牢固的结合。通过修改该技术（例如，浆料成分、烧制温度），可以对不同的陶瓷进行金属化处理。使用由 Ag、Pd、无机填料和玻璃组成的糊状物。金属化 Si陶瓷实现了高达 23 MPa 的结合强度。

使用物理气相沉积 (PVD) 可以将不同类型的金属层沉积到陶瓷基板上。金属通过加热到气体转变温度以上而蒸发，或通过含有电离粒子和在基板表面的冷凝物的工艺气体溅射。键合机制的范围可以从机械联锁到化学键合。正如 Brener等人所报道的那样，该工艺也可用于在 Si基板上应用薄铝涂层。作者报告说，化学反应发生在界面处，形成 AlN 层，热处理后厚度也会增加。

正如 Walker 和 Hodges 所以，这些技术得到了很好的发展，并且已经使用了几十年。但由于需要高温炉和电镀方法，因此价格昂贵；该过程本身很耗时，并且不适合高沉积率和低数量。