Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде
Для сегнетоэлектрической керамики на основе BaTiO3 разработаны технология пайки в воздушной среде и атмосфере технически чистого кислорода, а также способ нанесения покрытий с использованием металлических расплавов с высокой степенью смачиваемости керамики. Созданная технология позволяет значительно...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/39064 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде / Ю.В. Найдич, Т.В. Сидоренко, А.В. Дуров // Автоматическая сварка. — 2009. — № 1(669). — С. 22-24. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859981756420063232 |
|---|---|
| author | Найдич, Ю.В. Сидоренко, Т.В. Дуров, А.В. |
| author_facet | Найдич, Ю.В. Сидоренко, Т.В. Дуров, А.В. |
| citation_txt | Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде / Ю.В. Найдич, Т.В. Сидоренко, А.В. Дуров // Автоматическая сварка. — 2009. — № 1(669). — С. 22-24. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Для сегнетоэлектрической керамики на основе BaTiO3 разработаны технология пайки в воздушной среде и атмосфере технически чистого кислорода, а также способ нанесения покрытий с использованием металлических расплавов с высокой степенью смачиваемости керамики. Созданная технология позволяет значительно увеличить адгезионную прочность покрытий и паяных соединений, расширяет и открывает новые возможности создания различных приборов и устройств.
The technology for brazing in air and in pure oxygen atmosphere, as well as the method for deposition of coatings by using metal melts with a high degree of wettability of ceramics have been developed for the BaTiO2-based ferroelectric ceramics. The technologies developed make it possible to substantially increase adhesion strength of the coatings and brazed seams, widen the existing possibilities and open up the new ones for the manufacture of different instruments and devices.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:26:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.793:666:621.315.61:537.226
ПАЙКА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ
В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ И ЧИСТОМ КИСЛОРОДЕ
Академик НАН Украины Ю. В. НАЙДИЧ, Т. В. СИДОРЕНКО, инж., А. В. ДУРОВ, канд. хим. наук
(Ин-т проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины)
Для сегнетоэлектрической керамики на основе BaTiO3 разработаны технология пайки в воздушной среде и атмосфере
технически чистого кислорода, а также способ нанесения покрытий с использованием металлических расплавов
с высокой степенью смачиваемости керамики. Созданная технология позволяет значительно увеличить адгезионную
прочность покрытий и паяных соединений, расширяет и открывает новые возможности создания различных приборов
и устройств.
К л ю ч е в ы е с л о в а : пайка, металлизация, сегнетоэлект-
рическая керамика, титанат бария, металл-кислородная
технология
В современной электротехнике и электронике осо-
бое место занимают функциональные керамичес-
кие материалы, в состав которых входят соеди-
нения со структурой перовскита, подобные тита-
нату бария BaTiO3 (такая структура основана на
соотношении трех атомов кислорода к каждым
двум атомам металла). Эти материалы имеют дос-
таточно широкую сферу применения, например,
при создании многослойных конденсаторов с вы-
сокой емкостью, датчиков электрического поля,
множества пьезо- и сегнетоэлектрических прибо-
ров (сенсоров, приводов), термисторов.
Металлические покрытия на поверхности ке-
рамики могут служить электродами для конден-
саторов или промежуточным слоем для соедине-
ния керамики с металлом посредством пайки [1].
Перовскитная керамика на основе титаната ба-
рия существует в двух состояниях: сегнетоэлек-
трик (стехиометрическое соединение BaTiO3) и
полупроводник (структура с дефектом по кисло-
роду BaTiO3-х, которая образуется, в частности,
при отжиге сегнетоэлектрической керамики
BaTiO3 в высоком вакууме) [2]. Полупроводни-
ковую керамику применяют в электронике и элек-
тротехнике. Нами разработана технология ваку-
умной пайки перовскитной полупроводниковой
керамики BaTiO3-х с использованием припоев, ко-
торые содержат адгезионно активный компонент,
например, титан [3]. Пайку выполняют в высоком
вакууме при температуре 700…1000 °С, поэтому
она не может быть применима для соединения
сегнетоэлектрической керамики BaTiO3.
Титанат бария стехиометрического состава,
имеющий высокие сегнето- и пьезоэлектрические
свойства, может нагреваться без изменений толь-
ко в среде, содержащей кислород (воздух). Для
соединения таких материалов используют специ-
альные припои и технологические процессы. Бла-
гоприятным обстоятельством является то, что кис-
лород, растворенный в некоторых металлах, спо-
собствует значительному увеличению степени
смачивания и адгезии этих металлов к керамике.
Эффект влияния кислорода на смачиваемость, а
также на поверхностное и межфазное натяжение
металлических расплавов исследовали в работах
[4–6]. Установлено, что кислород активно повы-
шает адгезию меди, серебра, никеля и некоторых
других металлов к ионным соединениям, напри-
мер, к оксидам. Детально были изучены следу-
ющие системы: Cu–O–Al2O3, Cu–O–MgO, Ni–O–
Al2O3, Ag–O–Al2O3, Ag–Cu–O–Al2O3. Особенно в
этом плане интересна система Ag–Cu–O. Нами
высказано предположение, что металл-кислород-
ная технология применима и для соединения сег-
нетоэлектрического титаната бария.
Согласно [7] адгезионно активное действие
кислорода объясняется тем, что добавка в жидкий
металл какого-либо металлоида, имеющего дос-
таточное сродство к электронам, оттягивает пос-
ледние от атомов металла. Они превращаются в
положительные ионы, которые связываются с
анионами твердой фазы, что приводит к смачи-
ваемости ионного кристалла металлическим рас-
плавом.
В настоящее время известна лишь одна работа
[8], которая посвящена пайке перовскитного со-
единения Pb(Mg0,33Nb0,67)О3 сплавами системы
Ag–CuO. Научные основы этого процесса пока
не разработаны, а причины смачивающего дейс-
твия кислорода не объяснены. К сожалению, ав-
торам [8], очевидно, не известны наши работы
1960–1970-х годов [4–6], касающиеся оксидных
материалов.
Целью настоящей работы стало изучение сма-
чивания керамических сегнетоэлектрических ма-
териалов на основе BaTiO3 металлическим рас-
плавом, разработка составов припоев и техноло-
© Ю. В. Найдич, Т. В. Сидоренко, А. В. Дуров, 2009
22 1/2009
гических режимов получения паяных соединений
керамики BaTiO3 между собой и с металлами, а
также создание адгезионнопрочного металличес-
кого покрытия на поверхности сегнетоэлектричес-
кой перовскитной керамики. В качестве основы
припоев использовали сплавы системы Ag–Cu–O.
Образцы керамики на основе титаната бария
специально изготовлены твердофазным синтезом
в лаборатории (ИПМ им. И. Н. Францевича НАН
Украины) М. Д. Глинчук. Используемые в экс-
периментах диски из керамики BaTiO3 имели ди-
аметр 20 мм и толщину 3 мм. Пористость образ-
цов составляла не более 3,5 %. Подложки из
керамики BaTiO3 шлифовали и полировали. Ше-
роховатость поверхности составляла 0,02. Сте-
пень смачивания керамики BaTiO3 исследовали
с помощью метода сидящей капли.
Эксперименты и технологические процессы
осуществляли в воздушной среде (такие иссле-
дования до настоящего времени не проводили).
Была создана специальная установка, в которой
опыты выполняли в проточном кислороде при не-
значительном противодавлении. Температура эк-
сперимента составляла 980, 1050, 1100 °С. Ис-
пользовали технически чистый кислород. Пред-
полагалось, что незначительные примеси азота и
некоторых других элементов существенного вли-
яния на результаты экспериментов не окажут.
Изменение краевого угла смачивания θ кера-
мики BaTiO3 в зависимости от содержания меди
в расплаве представлено на рис. 1. При темпе-
ратуре 980 °С в условиях вакуума для чистого
серебра краевой угол смачивания составлял около
130, в воздухе — 96, а в чистом кислороде —
75°. Добавка около 10 ат. % меди в серебро при-
водит к уменьшению краевого угла смачивания до
45…47° (в воздушной среде) и почти полного рас-
текания сплава (θ ≈ 5…10°) в чистом кислороде.
Повышение температуры интенсифицирует про-
цесс смачивания — краевой угол уменьшается до
25…30° в воздушной среде (при содержании 10 ат.
% Cu в расплаве серебра) [9]. В случае использо-
вания чистого кислорода полное растекание может
быть достигнуто уже при 6…7 ат. % Cu.
Причины большой капиллярной активности
сплавов в чистом кислороде заключаются в
значительной равновесной концентрации кисло-
рода в расплаве при его большом парциальном
давлении в окружающей среде (парциальное дав-
ление кислорода в воздухе составляет 21 кПа,
чистого кислорода — 100 кПа). В соответствии
с законом Сивертса концентрация кислорода, рас-
творенного в расплаве серебра на воздухе, равна
[O]воздух
Ag = k √⎯⎯⎯⎯0,21 ,
а в чистом кислороде
[O]чис. кислород
Ag = k √⎯⎯1 .
Поскольку растворимость кислорода в серебре
на воздухе при 980 °С составляет 10,5 см3/г, можно
рассчитать, что в чистом кислороде она будет в
2,2 раза больше, т. е. около 22,9 см3/г.
Таким образом, пайка сегнетоэлектрической
керамики BaTiO3 может осуществляться в воз-
душной среде, а лучше в чистом кислороде.
В сочетании керамика/керамика был исполь-
зован припой состава Ag + 10…15 ат. % Cu (в
воздушной среде) и Ag + 3…5 ат. % Cu (в чистом
кислороде).
При соединении сегнетоэлектрической кера-
мики с металлом в качестве последнего, как по-
казала практика, следует использовать платину,
обеспечивающую получение прочных однород-
ных паяных швов.
Разработан вариант нанесения серебряно-мед-
ного покрытия с последующим припаиванием к
нему платинового проводящего электрода, в ка-
честве которого успешно использовали серебря-
ную проволоку.
Прочность паяных соединений определяли на
отрыв и сдвиг. Известно, что она зависит от проч-
ности самой керамики. Прочность образцов полу-
ченных нами паяных соединений составляла от 20
до 50 МПа. Эти значения можно повысить, если
использовать беспористую, хорошо спеченную ке-
рамику (прочность плотной керамики из оксида
алюминия может составлять около 100 МПа). От-
метим, что прочность паяных соединений часто не
является критической характеристикой контакта пе-
ровскитная керамика/металлический расплав, пос-
кольку при практическом применении устройств на
основе сегнетоэлектрических материалов механи-
ческие нагрузки бывают не столь значительными.
Важной задачей является нанесение тонкого
металлического покрытия на сегнетоэлектричес-
кую керамику (например, прослойки конденсато-
Рис. 1. Зависимость краевого угла смачивания θ керамики
BaTiO3 расплавами системы Ag–Cu–O от содержания в них
меди при 980 °С: 1 — расплав чистого серебра в вакууме; 2,
3 — расплав системы Ag–Cu соответственно в воздушной
среде и чистом кислороде
1/2009 23
ра). При этом требуется обеспечить высокое сма-
чивание металлом поверхности керамики. Теоре-
тически для получения непрерывной пленки из
жидкого металла необходимо, чтобы коэффици-
ент растекания имел положительное значение:
K = Wа – Wк,
где Wа, Wк — работа соответственно адгезии и
когезии.
Это может быть реализовано, если в качестве
атмосферы использован чистый кислород. В слу-
чае воздушной среды применяли специальные
способы: оксид меди CuO наносили на керамику
в виде порошка и отжигали на воздухе для фор-
мирования сплошного слоя, а затем наносили
смесь порошков серебра и платины и отжигали
при 970 °С. При этом в системе присутствуют
металлический расплав и твердый металл (пла-
тина) в высокодисперсном состоянии, благодаря
чему сохраняется однородность покрытия. Образ-
цы металлизированной сегнетоэлектрической ке-
рамики BaTiO3 представлены на рис. 2.
С помощью металл-кислородной технологии
получены паяные соединения сегнетоэлектричес-
кой керамики BaTiO3 между собой и с металли-
ческими электродами (рис. 3).
Таким образом, впервые исследовано смачи-
вание керамики BaTiO3 в чистом кислороде. Ис-
пользование кислородной среды при давлении в
100 кПа интенсифицирует капиллярные свойства
расплавов системы Ag–Cu–O, уменьшает краевой
угол смачивания вплоть до полного растекания
при содержании 7…10 ат. % Cu в сплаве.
На основе полученных данных разработана ме-
талл-кислородная технология металлизации и
пайки керамики BaTiO3 на воздухе и в чистом
кислороде.
1. Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлами в но-
вой технике / А. М. Рубашов, Г. И. Бердов, Н. В. Гаври-
лов и др. — М.: Атомиздат, 1980. — 246 с.
2. Бурсиан Е. В. Нелинейный кристалл (титанат бария). —
М.: Наука, 1974. — 296 с.
3. Найдич Ю. В., Сидоренко Т. В., Дуров А. В. Процессы
металлизации и пайки перовскитной керамики на основе
титаната бария // Адгезия расплавов и пайка материалов.
— 2007. — 40. — С. 63–69.
4. Еременко В. Н., Найдич Ю. В. Смачивание поверхностей
окислов растворами металл–кислород // Электроника. —
1959. — 4. — С. 136.
5. Еременко В. Н., Найдич Ю. В., Носонович А. А. Поверх-
ностная активность кислорода в системе медь–кислород
// Журн. физ. химии. — 1960. — XXXIV, № 5. —
С. 1018.
6. А. с. 149020 СССР, МКИ 49 Н 25. Способ пайки керами-
ческих деталей / Ю. В. Найдич, В. Н. Еременко. —
Опубл. 05.08.62; Бюл. № 4.
7. Найдич Ю. В. Контактные явления в металлических рас-
плавах. — Киев: Наук. думка, 1972. — 196 с.
8. Erskine K. M., Meier A. M., Pilgrim S. M. Brazing perovski-
te ceramics with silver/copper oxide braze alloys // J. Mater.
Sci. — 2002. — 37. — P. 1705.
9. Найдіч Ю. В., Сидоренко Т. В. Процеси змочування пе-
ровськітової BaTiO3-кераміки металічними розплавами
// Доп. НАН України. — 2008. — № 9. — С. 99–104.
The technology for brazing in air and in pure oxygen atmosphere, as well as the method for deposition of coatings by
using metal melts with a high degree of wettability of ceramics have been developed for the BaTiO2-based ferroelectric
ceramics. The technologies developed make it possible to substantially increase adhesion strength of the coatings and
brazed seams, widen the existing possibilities and open up the new ones for the manufacture of different instruments
and devices.
Поступила в редакцию 12.09.2008
Рис. 2. Образцы сегнетоэлектрической керамики BaTiO3, ме-
таллизированные с использованием металл-кислородной тех-
нологии
Рис. 3. Пайка и металлизация керамики BaTiO3 с использова-
нием металл-кислородной технологии: 1 — соединение кера-
мика–керамика; 2 — платиновая проволока–керамика; 3 —
серебряная проволока–керамика
24 1/2009
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-39064 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:26:29Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Найдич, Ю.В. Сидоренко, Т.В. Дуров, А.В. 2012-12-02T09:54:44Z 2012-12-02T09:54:44Z 2009 Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде / Ю.В. Найдич, Т.В. Сидоренко, А.В. Дуров // Автоматическая сварка. — 2009. — № 1(669). — С. 22-24. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/39064 621.793:666:621.315.61:537.226 Для сегнетоэлектрической керамики на основе BaTiO3 разработаны технология пайки в воздушной среде и атмосфере технически чистого кислорода, а также способ нанесения покрытий с использованием металлических расплавов с высокой степенью смачиваемости керамики. Созданная технология позволяет значительно увеличить адгезионную прочность покрытий и паяных соединений, расширяет и открывает новые возможности создания различных приборов и устройств. The technology for brazing in air and in pure oxygen atmosphere, as well as the method for deposition of coatings by using metal melts with a high degree of wettability of ceramics have been developed for the BaTiO2-based ferroelectric ceramics. The technologies developed make it possible to substantially increase adhesion strength of the coatings and brazed seams, widen the existing possibilities and open up the new ones for the manufacture of different instruments and devices. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде Brazing of ferroelectric ceramics in air and pure oxygen Article published earlier |
| spellingShingle | Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде Найдич, Ю.В. Сидоренко, Т.В. Дуров, А.В. Научно-технический раздел |
| title | Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде |
| title_alt | Brazing of ferroelectric ceramics in air and pure oxygen |
| title_full | Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде |
| title_fullStr | Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде |
| title_full_unstemmed | Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде |
| title_short | Пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде |
| title_sort | пайка сегнетоэлектрической керамики в воздушной среде и чистом кислороде |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/39064 |
| work_keys_str_mv | AT naidičûv paikasegnetoélektričeskoikeramikivvozdušnoisredeičistomkislorode AT sidorenkotv paikasegnetoélektričeskoikeramikivvozdušnoisredeičistomkislorode AT durovav paikasegnetoélektričeskoikeramikivvozdušnoisredeičistomkislorode AT naidičûv brazingofferroelectricceramicsinairandpureoxygen AT sidorenkotv brazingofferroelectricceramicsinairandpureoxygen AT durovav brazingofferroelectricceramicsinairandpureoxygen |