(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.03.12
C N 103626514
A (21)申请号 201310626952.X
(22)申请日 2013.11.28
C04B 37/02(2006.01)
(71)申请人吉林大学
地址130012 吉林省长春市前进大街2699
号
(72)发明人沈平 杨男男 曹抗战 谷岩
姜启川
(74)专利代理机构长春吉大专利代理有限责任
公司 22201
代理人齐安全
胡景阳
(54)发明名称
法
(57)摘要
本发明公开了一种提高金属熔体与氧化锆陶
瓷润湿性的方法，旨在克服金属与ZrO 2陶瓷润湿
性差、现有改善技术存在界面反应强烈导致界面
脆性、润湿时间长或效果不佳的问题。该方法原
理为利用氧化锆固体电解质的离子导电特性，在
金属熔滴与ZrO 2陶瓷之间施加直流电驱动润湿。
步骤如下：1.将抛光后的ZrO 2陶瓷基板放置在
下电极头的顶端面上；在ZrO 2陶瓷基板上放置样
品金属；2.真空条件下将样品金属和ZrO 2陶瓷基
板加热到大于450℃且不低于样品金属的熔点温
度；待样品金属熔化在金属熔滴和ZrO 2基板之间
通电；3.用数码相机对熔化金属的铺展过程拍照
并输入计算机，用液滴图形处理软件对图像进行
测量得到接触角。
(51)Int.Cl.
权利要求书1页 说明书10页 附图6页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书10页 附图6页(10)申请公布号CN 103626514 A
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1.一种提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法，其特征在于，利用氧化锆固体电解质的离子导电特性，在金属熔滴与ZrO 2陶瓷之间，施加一定强度的直流电来驱动润湿，其中，与金属熔滴相接触的上电极头接电源负极，与ZrO2陶瓷基板相接触的下电极头接电源正极；所述的一种提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法的步骤如下：
1）放置ZrO 2陶瓷基板与样品金属：
（1）将抛光后的ZrO 2陶瓷基板（19）放置在材质为石墨的下电极头（8）的顶端面上，利用水平球将ZrO 2陶瓷基板（19）调整至水平状态；
（2）在ZrO 2陶瓷基板（19）上放置样品金属（18），样品金属（18）位于上电极头（7）的正下方；
2）在真空条件下加热样品金属至熔点温度并通电：
（1）将样品金属（18）和ZrO 2陶瓷基板（19）共同加热到大于450℃，同时还不应低于所选样品金属（18）的熔点温度并保温；
（2）待样品金属（18）熔化形成球形熔滴后，旋转真空阀（11）上端的手柄驱动上电极头
（7）下移，使上电极头（7）接触并插入到样品金属（18）的熔滴中；
（3）打开直流电源（17）的开关通电，电流强度和通电时间根据样品金属（18）和ZrO 2陶瓷基板（19）定为：0～500mA ；
（4）计时，以打开与关闭电源开关的瞬间依次作为电流作用下润湿开始与结束的起点与终点进行计时；
（5）通电结束后冷却至室温；
3）拍照并计算接触角：
（1）通电过程中采用He-Ne 激光作为光源（15），利用数码相机（16）对样品金属熔滴拍照，从而记录样品金属（18）熔滴在ZrO 2陶瓷基板（19）的形状变化；
（2）将获得的图像通过高速USB 数据线直接传输入计算机中，利用液滴形状分析软件对输入图像进行计算处理，同步获得各时刻熔滴的接触角。
2.按照权利要求1所述的一种提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法，其特征在于，所述的ZrO 2陶瓷基板（19）是指含有不同种类和含量稳定剂的ZrO 2陶瓷基板。
3.按照权利要求1所述的一种提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法，其特征在于，所述的样品金属（18）包括纯金属与合金。
4.按照权利要求1所述的一种提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法，其特征在于，所述的上，下电极头材料是石墨。权 利 要 求 书CN 103626514 A
一种提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及冶金和电化学领域中的一种方法，更确切地说，本发明涉及一种提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法。
背景技术
[0002] 金属与ZrO2陶瓷的连接对其在燃料电池和化学传感器等领域的应用具有重要意义。要实现金属与ZrO
2
陶瓷之间的连接，一个重要且必须的条件是两者之间的润湿。但
是，由于金属和ZrO
2
陶瓷在物理化学性质上的巨大差异，两者之间的润湿性往往很差。比
如，900℃时，Al在ZrO
2陶瓷上的接触角为145°；1000℃时Sn在ZrO
2
陶瓷上的接触角
为145°。1100℃时Cu的接触角为126°。即使在较高温度，上述金属与ZrO
2
陶瓷的接
触角也很大，足见两者很难润湿。目前提高金属-ZrO
2
陶瓷润湿性的方法主要集中在提
高实验温度和添加合金元素上。例如随着温度由750℃升高到1200℃，Ga在ZrO
2
陶瓷上
的接触角可由160°降至139°；In、Sn、Cu等纯金属在ZrO
2
陶瓷上的接触角随温度变化不明显。当合金中添加Ti等活性元素时，接触角有较大变化，如1150℃时，Cu-17.5Ga在
ZrO
2陶瓷上的接触角为140°，Cu-17.5Ga-10Ti在ZrO
2
陶瓷上的接触角减小为91°，而
Cu-17.5Ga-15Ti在ZrO
2
陶瓷上的接触角为62°，虽然通过添加活性元素促进界面反应的
方法可以有效减小接触角，但一方面强烈的界面反应往往会导致界面脆性，另一方面，润湿一般需要较长的时间才能实现。而且，并非所有的体系都能到合适的活性元素。通过以上叙述可知，对于金属-氧化锆体陶瓷系，单纯依靠改变温度或加入合金元素等来改善润
湿性有时会存在较大困难或者效果不甚显著。考虑到掺杂稳定剂的ZrO
2
陶瓷在高温下是氧离子导体，施加电流在氧化锆陶瓷内会发生电化学反应，阴极一侧生成非计量比氧化锆，
甚至游离出部分锆原子，从而可能促进金属与ZrO
2
陶瓷的润湿并显著改善界面的结合强
度。据申请人所知，在冶金领域，利用ZrO
2
陶瓷高温时的离子导电特性，通过对系统施加直流电的方法使金属脱氧的报道相对较多，例如：中国专利公告号为CN1453371A，公告日为2003.11.05，专利号为ZL02111477.3，发明创造名称为“金属液电化学无污染脱氧方法”，发明人为周国治等人的专利；中国专利公告号为CN102146496A，公告日为2011.08.10，专利号为ZL201010110070.4，发明创造名称为“钢液外加电场无污染脱氧精炼装置及其应用方
法”，发明人为贾吉祥等人的专利。然而目前利用电流促进金属-ZrO
2
陶瓷润湿性的研究报道在国内外尚未发现。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是金属与ZrO2陶瓷润湿性差，而现有改善技术存在界面反应强烈时会导致界面脆性，促进润湿所需时间长或效果不佳的问题，为此本发明提供了一种提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的一种提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法，利用氧化锆固体电解质的离子导电特性，在金属熔滴与
ZrO
2
陶瓷之间，施加一定强度的直流电来驱动润湿，其中，与金属熔滴相接触的上电极头接电源负极，与ZrO2陶瓷基板相接触的下电极头接电源正极；所述的一种提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法的步骤如下：
[0005] 1.放置ZrO2陶瓷基板与样品金属：
[0006] （1）将抛光后的ZrO2陶瓷基板放置在材质为石墨的下电极头的顶端面上，利用水
平球将ZrO
2
陶瓷基板调整至水平状态；
[0007] （2）在ZrO2陶瓷基板（19）上放置样品金属，样品金属位于上电极头的正下方；[0008] 2.在真空条件下加热样品金属至熔点温度并通电：
[0009] （1）将样品金属和ZrO2陶瓷基板共同加热到大于450℃，同时还不应低于所选样品金属的熔点温度并保温；
[0010] （2）待样品金属（18）熔化形成球形熔滴后，旋转真空阀上端的手柄驱动上电极头下移，使上电极头接触并插入到样品金属的熔滴中；
[0011] （3）打开直流电源的开关通电，电流强度和通电时间根据样品金属和ZrO2陶瓷基板定为：0～500mA；
[0012] （4）计时，以打开与关闭电源开关的瞬间依次作为电流作用下润湿开始与结束的起点与终点进行计时；
[0013] （5）通电结束后冷却至室温；
[0014] 3.拍照并计算接触角：
[0015] （1）通电过程中采用He-Ne激光作为光源，利用数码相机对样品金属熔滴拍照，从
而记录样品金属熔滴在ZrO
2
陶瓷基板的形状变化；
[0016] （2）将获得的图像通过高速USB数据线直接传输入计算机中，利用液滴形状分析软件对输入图像进行计算处理，同步获得各时刻熔滴的接触角。
[0017] 技术方案中所述的ZrO2陶瓷基板是指含有不同种类和含量稳定剂的ZrO2陶瓷基板。
[0018] 技术方案中所述的样品金属包括纯金属与合金。
[0019] 技术方案中所述的上，下电极头材料是石墨。
[0020] 与现有技术相比本发明的有益效果是：
[0021] 本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性效果显著，润湿过程迅速，成本低廉，操作简单易行，并且对各种金属（如Al、Sn、
Cu等纯金属及合金）和具有不同种类及含量稳定剂（稳定剂包括Y
2O
3
、CaO等）的ZrO
2
陶瓷
均适用。
附图说明
[0022] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：
[0023] 图1-a为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法所采用的电流耦合座滴法润湿性测试系统的结构组成主视图；
[0024] 图1-b为图1-a中b处即通电部分的放大示意图；
[0025] 图2为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性方法的流程框图；[0026] 图3为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性方法在700℃时对Al/
ZrO
2
体系分别施加0mA、1mA、5mA、10mA，20mA、30mA、50mA的直流电条件下接触角随时间的变
化曲线，此处ZrO
2陶瓷稳定剂为Y
2
O
3
，含量为3mol%，并且以开始通电的瞬间作为计时零点
即t=0s；
[0027] 图4为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性方法在700℃时对Al/
ZrO
2和Sn-3.0Ag-0.5Cu/ZrO
2
体系粘接功随电流强度的变化曲线，此处ZrO
2
陶瓷稳定剂为
Y 2O
3
，含量为3mol%；
[0028] 图5为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性方法在700℃时对Al/ ZrO
2
体系分别施加0mA、1mA、5mA、10mA，20mA、30mA、50mA的电流条件下接触角随时间变化
曲线，此处ZrO
2陶瓷稳定剂为Y
2
O
3
，含量为8mol%，并且以开始通电的瞬间作为计时零点即
t=0s；
[0029] 图6为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性方法在700℃时对Al/ ZrO
2
体系分别施加0mA、1mA、5mA、10mA，20mA、30mA、50mA的电流条件下接触角随时间变化
曲线，此处ZrO
2
陶瓷稳定剂为CaO，含量为9mol%，并且以开始通电的瞬间作为计时零点即t=0s；
[0030] 图7为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性方法在700℃时对
Sn-3.0Ag-0.5Cu/ZrO
2
体系分别施加0mA、2mA、4mA、5mA，10mA、20mA的直流电条件下接触角
随时间的变化曲线，此处ZrO
2陶瓷稳定剂为Y
2
O
3
，含量为3mol%，并且以开始通电的瞬间作
为计时零点即t=0s；
[0031] 图8为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性方法在700℃时对Sn/
ZrO
2体系施加10mA电流条件下接触角随时间的变化曲线，此处ZrO
2
陶瓷稳定剂为Y
2
O
3
，含
量为3mol%，并且以开始通电的瞬间作为计时零点即t=0s；
[0032] 图9为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法在不同温度时对
Al/ZrO
2陶瓷体系施加10mA直流电条件下接触角随时间的变化曲线，此处ZrO
2
陶瓷稳定剂
为Y
2O
3
，
含量为3mol%，并且以开始通电的瞬间作为计时零点即t=0s；
[0033] 图10为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法在不同温度时对
Sn-3.0Ag-0.5Cu/ZrO
2体系施加10mA直流电条件下接触角随时间的变化曲线，此处ZrO
2
陶
瓷稳定剂为Y
2O
3
，含量为3mol%，并且以开始通电的瞬间作为计时零点即t=0s；
[0034] 图11为本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法在1100℃对Cu/
ZrO
2体系施加500mA电流条件下接触角随时间的变化曲线，此处ZrO
2
陶瓷稳定剂为Y
2
O
3
，含
量为3mol%，并且以开始通电的瞬间作为计时零点即t=0s。
[0035] 图中：1.电极升降杆,2.绝缘陶瓷套管,3.上电极引线，4.导电杆,5.上电极保护通管，6.热电偶，7.上电极头，8.下电极头，9.下电极引线，10.绝缘陶瓷管，11.真空阀，12.内部支撑绝缘陶瓷，13.加热体，14.屏蔽层，15.光源，16.数码相机，17.电源，18.样品金属，19.ZrO
2
陶瓷基板。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图对本发明作详细的描述：
[0037] 参阅图1-a与图1-b，本发明所述的提高金属熔体与氧化锆陶瓷润湿性的方法中采用了电流耦合座滴的润湿性测试系统，即润湿过程是通过图中所示的电流耦合座滴的润
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