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DE102013018465A1 - Body made of a brittle material and a metallic material and a method for producing a material connection of a brittle material and a metallic material - Google Patents

Body made of a brittle material and a metallic material and a method for producing a material connection of a brittle material and a metallic material Download PDF

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DE102013018465A1
DE102013018465A1 DE201310018465 DE102013018465A DE102013018465A1 DE 102013018465 A1 DE102013018465 A1 DE 102013018465A1 DE 201310018465 DE201310018465 DE 201310018465 DE 102013018465 A DE102013018465 A DE 102013018465A DE 102013018465 A1 DE102013018465 A1 DE 102013018465A1
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brittle
metallic material
range
metal
intermediate layer
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DE201310018465
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German (de)
Inventor
Hauke Esemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung umfasst einen Körper (100), umfassend wenigstens ein sprödbrüchiges Material (1), insbesondere eine Glaskeramik, ein Glas oder eine Keramik und ein metallisches Material (3), dadurch gekennzeichnet, dass das sprödbrüchige Material (1) mit dem metallischen Material (3) eine hochtemperaturfeste, stoffschlüssige Verbindung für Temperaturen von mehr als 250°C, insbesondere mehr als 300°C, bevorzugt mehr als 400°C, insbesondere mehr als 500°C, ausbildet und die Verbindung von sprödbrüchigem Material (1) und metallischem Material (3) eine Zwischenschicht (20) zwischen dem sprödbrüchigen Material (3) und dem metallischen Material (1) umfasst, insbesondere eine Zwischenschicht (20) aus einem duktilen Metall mit einer Reißdehnung ≥ 1%, bevorzugt ≥ 2%, insbesondere ≥ 4%, ganz bevorzugt ≥ 10%, insbesondere im Bereich 1% bis 20%, ganz besonders bevorzugt im Bereich 2% bis 15%.The invention comprises a body (100), comprising at least one brittle-fractured material (1), in particular a glass ceramic, a glass or a ceramic and a metallic material (3), characterized in that the brittle material (1) with the metallic material (1). 3) a high-temperature-resistant, material-locking compound for temperatures of more than 250 ° C, in particular more than 300 ° C, preferably more than 400 ° C, in particular more than 500 ° C, forms and the compound of brittle material (1) and metallic material (3) an intermediate layer (20) between the brittle material (3) and the metallic material (1), in particular an intermediate layer (20) of a ductile metal having an elongation at break ≥ 1%, preferably ≥ 2%, in particular ≥ 4% , very preferably ≥ 10%, in particular in the range 1% to 20%, very particularly preferably in the range 2% to 15%.

Description

Die Erfindung betrifft einen Körper, umfassend wenigstens ein sprödbrüchiges Material, insbesondere eine Glaskeramik, ein Glas oder eine Keramik und ein metallisches Material sowie ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung eines sprödbrüchigen Materials und eines metallischen Materials.The invention relates to a body, comprising at least one brittle material, in particular a glass ceramic, a glass or a ceramic and a metallic material and a method for producing a material connection of a brittle material and a metallic material.

Um sprödbrüchige Materialien wie beispielsweise Glas, Glaskeramik, Keramik mit metallischen Materialien zu verbinden, sind im Stand der Technik unterschiedliche Möglichkeiten beschrieben, wobei sich stets das Problem ergibt, dass derartige Verbindungen aus dem Stand der Technik nicht für den Hochtemperaturbereich eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stellen.In order to combine brittle materials such as glass, glass ceramic, ceramic with metallic materials, various possibilities are described in the prior art, which always results in the problem that such compounds of the prior art not for the high temperature range a reliable cohesive connection available put.

Ein weiteres Problem besteht, wenn eine derartige Verbindung aus einem sprödbrüchigen Material und einem metallischen Material Temperaturwechseln mit einer Temperaturdifferenz von mehr als 250 K, ausgesetzt sind. In solchen Fällen neigen die Körper an der Verbindungsstelle zum Bruch.Another problem is when such a compound of a brittle material and a metallic material are exposed to temperature changes with a temperature difference of more than 250 K. In such cases, the bodies tend to break at the junction.

Um das Problem der Temperaturwechselbeständigkeit zu lösen, ist die Verwendung von metallischen Materialien, die im gewünschten Anwendungsbereich in ihrem Ausdehnungsverhalten dem sprödbrüchigen Material, insbesondere dem Glas, der Glaskeramik oder der Keramik weitgehend angepasst sind, im Stand der Technik beschrieben. Hier ergeben sich jedoch Probleme im Temperaturbereich über 250°C.To solve the problem of thermal shock resistance, the use of metallic materials which are largely adapted in the desired application in their expansion behavior of the brittle material, in particular the glass, the glass ceramic or the ceramic, in the prior art. Here, however, problems arise in the temperature range above 250 ° C.

Eine andere, im Stand der Technik diskutierte Möglichkeit besteht in der stoffschlüssigen Verbindung mit Hilfe einer Verklebung von metallischem Werkstoff und sprödbrüchigem Material, wobei der Klebstoff aufgrund seiner elastischen Eigenschaft die unterschiedlichen Wärmedehnungen der zu verbindenden Materialien ausgleicht. Beispiele für derartige Klebstoffe im Stand der Technik sind beispielsweise Silikonklebstoffe. Ein Nachteil einer derartigen stoffschlüssigen Verbindung ist jedoch, dass die Temperaturbeständigkeit in der Regel auf Temperaturen geringer 250°C begrenzt ist. Es sind auch Klebstoffe bekannt, die mehr als 300°C aushalten können, allerdings nur für begrenzte Zeit.Another possibility, discussed in the prior art, is the integral connection with the aid of a bonding of metallic material and brittle material, wherein the adhesive, due to its elastic property, compensates for the different thermal expansions of the materials to be joined. Examples of such adhesives in the prior art are, for example, silicone adhesives. A disadvantage of such a cohesive connection, however, is that the temperature resistance is usually limited to temperatures less than 250 ° C. There are also adhesives known that can withstand more than 300 ° C, but only for a limited time.

Eine weitere Möglichkeit einer stoffschlüssigen Verbindung besteht darin, mit Hilfe von Zwischengläsern oder Glasloten die in der Verbindung entstehenden Spannungen zwischen dem sprödbrüchigen Material und dem metallischen Material abzusenken. Allerdings ergibt sich auch für eine derartige Lösung das Problem, dass der Unterschied in den Wärmedehnungen des sprödbrüchigen Materials und metallischen Materials bei Temperaturwechseln von über 250 K nicht kompensiert werden können.Another possibility of a cohesive connection is to lower by means of intermediate glasses or glass solders, the stresses arising in the connection between the brittle material and the metallic material. However, the problem also arises for such a solution that the difference in the thermal expansion of the brittle material and metallic material can not be compensated for temperature changes of over 250 K.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die gewünschte Verbindung zwischen einem sprödbrüchigen Material und einem metallischen Material nicht stoffschlüssig vorzunehmen, sondern konstruktiv herzustellen, beispielsweise durch eine Klemmung oder Verschraubung. Hier besteht jedoch ein Nachteil darin, dass die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen in den beteiligten Komponenten, insbesondere auch den Verschraubungskomponenten, nicht so ausreichend kompensiert werden können, dass bruchrelevante Spannungen in dem sprödbrüchigen Material sicher vermieden werden. Ein weiterer Nachteil einer konstruktiven Bindung von sprödbrüchigem Material und metallischem Material sind weitreichende Einschränkungen bezüglich der möglichen geometrischen Ausgestaltung der Verbindung.Another possibility is to make the desired connection between a brittle material and a metallic material not cohesively, but constructively produce, for example by a clamp or screw. Here, however, there is a disadvantage in that the different thermal expansions in the components involved, in particular the Verschraubungskomponenten, can not be sufficiently compensated so that fracture-relevant stresses in the brittle material are reliably avoided. Another disadvantage of a constructive bond of brittle material and metallic material are far-reaching restrictions on the possible geometric design of the compound.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, die vorgenannten Probleme zu lösen und einen Körper bzw. eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem spröden Material und einem weiteren metallischen Material zur Verfügung zu stellen, die für den Hochtemperaturbereich geeignet ist.The object of the invention is therefore to solve the aforementioned problems and to provide a body or a material connection between a brittle material and another metallic material which is suitable for the high temperature range.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Körper wenigstens aus einem sprödbrüchigen Material, insbesondere einer Glaskeramik, einem Glas oder einer Keramik besteht und einem metallischen Material, und das sprödbrüchige Material mit dem metallischen Material eine hochtemperaturfeste, stoffschlüssige Verbindung für Temperaturen von mehr als 250°C, insbesondere mehr als 350°C, bevorzugt mehr als 400°C, insbesondere mehr als 500°C ausbildet, zur Verfügung gestellt wird.According to the invention, this object is achieved in that a body consists at least of a brittle material, in particular a glass ceramic, a glass or a ceramic and a metallic material, and the brittle material with the metallic material, a high-temperature, cohesive connection for temperatures of more than 250 ° C, in particular more than 350 ° C, preferably more than 400 ° C, in particular more than 500 ° C forms, is provided.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verbindung von sprödbrüchigem Material und metallischem Material eine Zwischenschicht zwischen dem sprödbrüchigen Material und dem metallischen Material umfasst, insbesondere eine Zwischenschicht aus einem duktilen Metall. Die Zwischenschicht sorgt dafür, dass die Verbindung zwischen dem sprödbrüchigen Material und dem metallischen Material hergestellt wird. Desweiteren können zwischen dem sprödbrüchigen Material und dem metallischen Material entstehende Spannungen durch die Zwischenschicht wenigstens teilweise abgebaut werden. Als duktile Metalle werden in vorliegender Anmeldung solche mit einer Reißdehnung ≥ 1%, bevorzugt ≥ 10%, insbesondere im Bereich 1% bis 20%, bevorzugt 2% bis 15% verstanden.According to the invention it is provided that the connection of brittle material and metallic material comprises an intermediate layer between the brittle material and the metallic material, in particular an intermediate layer of a ductile metal. The intermediate layer ensures that the connection between the brittle material and the metallic material is made. Furthermore, stresses between the brittle material and the metallic material can be at least partially reduced by the intermediate layer. In the present application, ductile metals are understood as meaning those having an elongation at break ≥ 1%, preferably ≥ 10%, in particular in the range from 1% to 20%, preferably from 2% to 15%.

Besonders bevorzugte Materialien mit einer im erfindungsgemäßen Bereich liegenden Reißdehnung ist beispielsweise die Reinaluminiumfolie Al 99,5 – glatt, weich, walzblank – ALUJET der Fa. ALUJET GmbH, Ahornstraße 16, D82291 Mammendorf, die bei einer Dicke im Bereich 0,05 mm bis 0,30 mm eine Reißdehnung quer ≥ 4% und eine Reißdehnung längs ≥ 4% aufweist, oder eine Aluminiumfolie 7800 der 3M Deutschland GmbH, Carl-Schurz-Str. 1, die ebenfalls eine Reißdehnung ≥ 4% bei einer Schichtdicke der Folie von 0,05 mm aufweist.Particularly preferred materials having an elongation at break in the range according to the invention are, for example, the pure aluminum foil Al 99.5 - smooth, soft, bright rolled - ALUJET from ALUJET GmbH, Ahornstraße 16, D82291 Mammendorf, which, at a thickness in the range of 0.05 mm to 0.30 mm, has an elongation at break transversely of ≥ 4% and an elongation at break of ≥ 4%, or an aluminum foil 7800 from 3M Deutschland GmbH, Carl-Schurz-Str. 1, which also has an elongation at break ≥ 4% at a film thickness of 0.05 mm.

Bei der erfindungsgemäßen Verbindung werden durch die Zwischenschicht ein Teil der Spannungen elastisch abgebaut, oberhalb von 100°C auch durch Fließen, es können aber Restspannungen, verbleiben.In the compound according to the invention some of the stresses are elastically degraded by the intermediate layer, above 100 ° C by flowing, but it can residual stresses remain.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das sprödbrüchige Material mit dem metallischen Material eine hochtemperaturfeste, stoffschlüssige Verbindung für Temperaturen > 400°C, bevorzugt > 500°C, ausbildet. Desweiteren bevorzugt ist es, wenn eine Temperaturwechselbeständigkeit bei Temperaturunterschieden von mehr als 250 K gegeben ist.It is particularly preferred if the brittle material with the metallic material forms a high-temperature, cohesive connection for temperatures> 400 ° C., preferably> 500 ° C. Furthermore, it is preferred if a thermal shock resistance is given at temperature differences of more than 250 K.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass es sich bei dem sprödbrüchigen Material um ein niedrig ausdehnendes Material in einem Temperaturbereich von 20°C bis 300°C handelt. Unter niedrig ausdehnenden sprödbrüchigen Materialien wird in dieser Anmeldung ein Material, insbesondere eine Glaskeramik oder ein Glas mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten αspröd(20°C–300°C) ≤ 4·10–6/K, insbesondere im Bereich –1.0·10–6/K ≤ αspröd ≤ 4·10–6/K, insbesondere bevorzugt –0,6·10–6/K ≤ αspröd ≤ 2·10–6/K verstanden.A particularly preferred embodiment is that the brittle material is a low-expansion material in a temperature range of 20 ° C to 300 ° C. In this application, a material, in particular a glass ceramic or a glass with a thermal coefficient of linear expansion α brittle (20 ° C.-300 ° C.) ≦ 4 × 10 -6 / K, in particular in the range -1.0 × 10 -3 ° C., is used under low-expansion brittle-fracture materials . 6 / K ≦ α brittle ≦ 4 × 10 -6 / K, particularly preferably -0.6 × 10 -6 / K ≦ α brittle ≦ 2 × 10 -6 / K.

Beispielhafte Materialien, die einen thermischen Aausdehnungskoeffizienten in diesem Bereich aufweisen, sind beispielsweise Li-Al-Si-Glaskeramiken wie beispielsweise die Glaskeramiken ROBAX®, CERAN® und NEXTREMA® der Firma Schott AG, Mainz, die einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20°C bis 300°C im Bereich von –0,3 bis 1,0·10–6/K aufweisen.Exemplary materials having a thermal Aausdehnungskoeffizienten in this field are, for example, Li-Al-Si glass ceramics such as glass ceramics ROBAX ®, ceramic ® and Nextrema ® of the company Schott AG, Mainz, having a coefficient of thermal expansion in the temperature range of 20 ° C to 300 ° C in the range of -0.3 to 1.0 · 10 -6 / K have.

Als Glasmaterial kann beispielsweise ein Borosilicatglas verwandt werden, z. B. Borofloat 33®. Das Glasmaterial Borofloat33® hat einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten αspröd(20°C–300°C) von 3,3 10–6/K.As a glass material, for example, a borosilicate glass can be used, for. Borofloat 33® . The glass material Borofloat33 ® has a thermal coefficient of linear expansion α brittle (20 ° C-300 ° C) of 3.3 10 -6 / K.

Als metallisches Material wird bevorzugt ein metallisches Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten αMetall im Temperaturbereich 20°C bis 300°C, für den gilt: αMetall ≤ 20·10–6/K, insbesondere im Bereich 4.0·10–6/K ≤ αMetall ≤ 6·10–6/K, eingesetzt. Ein besonders bevorzugtes metallisches Material ist KOVAR. Alternativ sind auch Molybdän, Stahl, Wolfram oder Edelstahl möglich. Bei KOVAR handelt es sich um eine Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung.The preferred metallic material is a metallic material having a thermal coefficient of linear expansion α metal in the temperature range from 20 ° C. to 300 ° C., for which the following applies: α metal ≦ 20 × 10 -6 / K, in particular in the range 4.0 × 10 -6 / K ≦ α metal ≤ 6 · 10 -6 / K, used. A particularly preferred metallic material is KOVAR. Alternatively, molybdenum, steel, tungsten or stainless steel are possible. KOVAR is an iron-cobalt-nickel alloy.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das metallische Material abhängig vom sprödbrüchigen Material ausgewählt wird und zwar derart, dass das metallische Material einen thermischen Längenausdehnungskoeffizient αMetall(20°C–300°C) im Bereich αspröd – 10·10–6/K ≤ αMetall ≤ αspröd + 10·10–6/K, bevorzugt αspröd – 8·10–6/K ≤ αMetall ≤ αspröd + 8·10–6/K, insbesondere αspröd – 5·10–6/K ≤ αMetall ≤ αspröd + 5·10–6/K aufweist.It is particularly preferred if the metallic material is selected depending on the brittle material in such a way that the metallic material has a thermal expansion coefficient α metal (20 ° C-300 ° C) in the range α brittle - 10 · 10 -6 / K ≤ α metal ≤ α brittle + 10 · 10 -6 / K, preferably α brittle - 8 · 10 -6 / K ≤ α metal ≤ α brittle + 8 · 10 -6 / K, especially α brittle - 5 · 10 -6 / K ≤ α metal ≤ α brittle + 5 · 10 -6 / K.

Die Verbindung von sprödbrüchigem Material und metallischem Material erfolgt bevorzugt mit Hilfe von Schweißen, insbesondere von Ultraschallschweißen. Das Ultraschallschweißen erfolgt im üblichen Frequenzbereich von 15 bis 50 kHz, bevorzugt bei 20 kHz.The connection of brittle material and metallic material is preferably carried out by means of welding, in particular ultrasonic welding. The ultrasonic welding takes place in the usual frequency range of 15 to 50 kHz, preferably at 20 kHz.

Betreffend das Ultraschallschweißverfahren wird auf die DE 199 17 133 A1 verwiesen, in der detailliert die Verschweißung eines Werkstückes aus Glas, Glaskeramik und/oder Keramik, also einem spröden, anorganischen, schlecht wärmeleitenden Material mit geringer Fernordnung und einem Werkstück aus hiervon verschiedenem Material, beispielsweise einem Metall, beschrieben wird. Der Offenbarungsgehalt der DE 199 17 133 A1 wird in vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit eingeschlossen.Regarding the ultrasonic welding method is applied to the DE 199 17 133 A1 referenced, in detail the welding of a workpiece made of glass, glass ceramic and / or ceramic, that is, a brittle, inorganic, poorly heat-conductive material with low long range order and a workpiece thereof from various material, such as a metal is described. The disclosure of the DE 199 17 133 A1 is fully incorporated in the present application.

Die Verschweißung, insbesondere mit Ultraschallschweißapparaturen, zwischen dem sprödbrüchigen Material und dem metallischen Material erfolgt zwischen einer ersten Verbindungsfläche am sprödbrüchigen Material und einer zweiten Verbindungsfläche am metallischen Material. Zwischen erster und zweiter Verbindungsfläche ist die Zwischenschicht eingebracht. Das Verschweißen kann flächig oder auch nur teilflächig erfolgen, wobei ein teilflächiges Verschweißen je nach Geometrie eine Punktschweißung, eine Rollnahtschweißung oder Torsionsschweißung sein kann.The welding, in particular with ultrasonic welding apparatuses, between the brittle material and the metallic material takes place between a first connection surface on the brittle material and a second connection surface on the metallic material. Between first and second bonding surface, the intermediate layer is introduced. The welding can be carried out flat or even partial area, wherein a partial area welding depending on the geometry of a spot welding, a seam welding or torsional welding can be.

Ein Körper bzw. Verbund, umfassend das sprödbrüchige Material und das metallische Material zeigt trotz der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der beiden Fügepartner, hier dem sprödbrüchigen Material und dem metallischen Material, überraschend eine dauerhaft temperaturbeständige Verbindung oberhalb von 250°C, insbesondere oberhalb von 300°C. Besonders bevorzugt wird die dauerhafte Temperaturbeständigkeit bis zu Temperaturen von 400°C, besonders bevorzugt bis zu 500°C, erreicht. Auch Temperaturwechsel von über 250 K hält die so hergestellte Verbindung auf Dauer stand, selbst wenn der spröde Werkstoff eine geringe oder eine Nullausdehnung besitzt.A body or composite, comprising the brittle material and the metallic material surprisingly despite the different thermal expansions of the two joining partners, here the brittle material and the metallic material, a permanently temperature-resistant compound above 250 ° C, especially above 300 ° C. , Particularly preferably, the permanent temperature resistance up to temperatures of 400 ° C, particularly preferably up to 500 ° C, achieved. Even temperature changes of over 250 K, the compound thus prepared withstand, even if the brittle material has a low or zero expansion.

Erfindungsgemäß wird zwischen dem sprödbrüchigen Material und dem metallischen Material eine Zwischenschicht eingebracht. Die Zwischenschicht besteht bevorzugt aus einem duktilen Metall, bevorzugt aus Aluminium, insbesondere Reinstaluminium oder aber auch Gold oder einer Goldlegierung. Die Dicke einer derartigen Zwischenschicht liegt bevorzugt im Bereich von 50 und 200 μm.According to the invention, an intermediate layer is introduced between the brittle material and the metallic material. The intermediate layer is preferably made of a ductile metal, preferably of aluminum, in particular high-purity aluminum or else gold or a gold alloy. The thickness of such an intermediate layer is preferably in the range of 50 and 200 μm.

Zusätzlich zur Zwischenschicht kann vorgesehen sein, die erste und/oder zweite Verbindungsoberfläche, die mit Hilfe von Ultraschallschweißen als Fügeverfahren verbunden wird, vorzubehandeln. Dies ist insbesondere für das sprödbrüchige Material von Vorteil. In Frage hierfür kommen beispielsweise thermisches oder chemisches Vorspannen oder eine festigkeitssteigernde Beschichtung. Überraschend hat sich auch gezeigt, dass durch lokales und/oder vollflächiges Ätzen oder Polieren der Verbindungsoberfläche des spröden Materialseine Verbesserung der Temperatur- und/oder der Temperaturwechselbeständigkeit erreicht werden kann. Die Verbindung von sprödem Werkstoff und metallischem Material mittels Ultraschallschweißen kann sehr schnell erfolgen. So kann eine derartige Verbindung durch Punkt- und/oder Torsionsschweißung in kurzen Zeiten erfolgen. Möglich sind Zeiten von weniger als 10 sec., bevorzugt weniger als 5 sec., insbesondere sogar weniger als 1 sec.In addition to the intermediate layer, provision may be made for pretreating the first and / or second connecting surface, which is connected by means of ultrasonic welding as a joining method. This is particularly advantageous for the brittle material. In question, for example, come thermal or chemical toughening or a strength-enhancing coating. Surprisingly, it has also been shown that an improvement in the temperature and / or thermal shock resistance can be achieved by local and / or full-area etching or polishing of the bonding surface of the brittle material. The connection of brittle material and metallic material by means of ultrasonic welding can be done very quickly. Thus, such a connection can be made by spot and / or torsional welding in short times. Times of less than 10 seconds are possible, preferably less than 5 seconds, in particular even less than 1 second.

Neben dem Körper bzw. dem Verbund aus einem sprödbrüchigen Material und einem metallischen Material umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung eines sprödbrüchigen Materials und eines metallischen Materials, wobei bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nachfolgende Schritte durchgeführt werden: Zunächst wird ein sprödbrüchiges, bevorzugt im Wesentlichen niedrigdehnendes Material, bevorzugt ein Glas, eine Glaskeramik oder eine Keramik mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten αspröd(20°C–300°C) ≤ 4·10–6/K, insbesondere αspröd(20°C–300°C) ≤ 2·10–6/K, bevorzugt im Bereich –1·10–6/K, ≤ αspröd ≤ 4·10–6/K, insbesondere im Bereich –0,6·10–6/K ≤ αspröd ≤ 2·10–6/K, beispielsweise eine Li-Al-Si-Glaskeramik, mit einer ersten Verbindungsfläche zur Verfügung gestellt.In addition to the body or the composite of a brittle material and a metallic material, the invention also includes a method for producing a cohesive connection of a brittle material and a metallic material, wherein in the method according to the invention the following steps are performed: First, a brittle, is preferred essentially low-expansion material, preferably a glass, a glass-ceramic or a ceramic with a thermal coefficient of linear expansion α brittle (20 ° C.-300 ° C.) ≦ 4 × 10 -6 / K, in particular α brittle (20 ° C.-300 ° C.) ≦ 2 × 10 -6 / K, preferably in the range -1 × 10 -6 / K, ≦ α brittle ≦ 4 × 10 -6 / K, in particular in the range -0.6 × 10 -6 / K ≦ α brittle ≦ 2 × 10 -6 / K, for example a Li-Al-Si glass-ceramic, provided with a first connection surface.

Des Weiteren wird ein metallisches Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α im Temperaturbereich 20°C bis 300°C, für den gilt αMetall(20°C–300°C) ≤ 20·10–6/K, insbesondere im Bereich 4·10–6/K ≤ αMetall ≤ 6·10–6/K, beispielsweise KOVAR, mit einer zweiten Verbindungsfläche zur Verfügung gestellt.Furthermore, a metallic material having a thermal coefficient of linear expansion α in the temperature range from 20 ° C. to 300 ° C., for which α metal (20 ° C.-300 ° C.) ≦ 20 × 10 -6 / K, in particular in the range 4 × 10 -6 / K ≤ α metal ≤ 6 · 10 -6 / K, for example KOVAR, provided with a second bonding surface.

Sodann wird das sprödbrüchige Material mit dem metallischen Material stoffschlüssig im Bereich der ersten und der zweiten Verbindungsfläche über eine Zwischenschicht, die zwischen erste und zweite Verbindungsfläche eingebracht wird, wobei die Zwischenschicht bevorzugt aus einem duktilen Metall, insbesondere Aluminium, bevorzugt Reinstaluminium, einer Aluminiumlegierung, Gold oder einer Goldlegierung besteht, bevorzugt mit einer Dicke zwischen 50 μm und 200 μm, miteinander verbunden. Hierdurch wird eine hochtemperaturfeste Verbindung für Temperaturen von mehr als 250°C, bevorzugt mehr als 300°C und/oder einer Temperaturwechselbeständigkeit von mehr als 250 K, zur Verfügung gestellt.Then, the brittle material with the metallic material cohesively in the region of the first and second bonding surface via an intermediate layer which is introduced between the first and second bonding surface, wherein the intermediate layer is preferably made of a ductile metal, in particular aluminum, preferably pure aluminum, an aluminum alloy, gold or a gold alloy, preferably with a thickness between 50 microns and 200 microns, connected together. As a result, a high temperature resistant compound for temperatures of more than 250 ° C, preferably more than 300 ° C and / or a thermal shock resistance of more than 250 K, provided.

Das sprödbrüchige Material wird mit dem metallischen Material durch ein Fügeverfahren, insbesondere Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, bevorzugt in Form von Punktschweißen, Rollnahtschweißen oder Torsionsschweißen verbunden.The brittle material is connected to the metallic material by a joining process, in particular welding, in particular ultrasonic welding, preferably in the form of spot welding, seam welding or torsional welding.

Besonders hochtemperaturfeste Verbindungen, insbesondere mit Blick auf Temperaturwechselbeständigkeit, werden erreicht, wenn insbesondere die erste Verbindungsoberfläche des sprödbrüchigen Materials behandelt wird. Hier ist möglich ein Vorspannen, Glätten, Noppen, Strukturieren, teil- oder vollflächiges Ätzen, Polieren und/oder Ionentauschen.Particularly high temperature resistant compounds, in particular with regard to thermal shock resistance, are achieved when in particular the first bonding surface of the brittle material is treated. Here it is possible biasing, smoothing, nubs, structuring, partial or full-area etching, polishing and / or ion exchange.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren beschrieben werden.The invention will be described below with reference to the figures.

Es zeigt:It shows:

1 einen erfindungsgemäßen Körper aus einem sprödbrüchigen Material und einem metallischen Material. 1 a body according to the invention of a brittle material and a metallic material.

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Körper 100 dargestellt, bestehend aus einem sprödbrüchigen Material 1 und einem metallischen Material 3. Das sprödbrüchige Material 1 kann beispielsweise ohne Beschränkung hierauf ein im Wesentlichen nullausdehnendes Material wie beispielsweise eine Li-Al-Si-Glaskeramik, insbesondere ROBAX® der Firma Schott AG, Mainz sein. Ein derartiges, im Wesentlichen nullausdehnendes Material weist einen mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten αspröd(20°C–300°C) < 0,15·10–6/K auf.In 1 is a body according to the invention 100 represented, consisting of a brittle material 1 and a metallic material 3 , The brittle material 1 can be, for example but not limited to a substantially nullausdehnendes material such as a Li-Al-Si glass ceramic, in particular ROBAX ® of the company Schott AG, Mainz. Such substantially zero-expansion material has a mean thermal expansion coefficient α brittle (20 ° C-300 ° C) <0.15 · 10 -6 / K.

Bei dem metallischen Material 3 handelt es sich im Wesentlichen um ein metallisches Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten αMetall(20°C–300°C) ≤ 6·10–6/K im Temperaturbereich von 20°C bis 300°C.In the metallic material 3 it is essentially a metallic material with a thermal coefficient of linear expansion α metal (20 ° C-300 ° C) ≤ 6 · 10 -6 / K in the temperature range from 20 ° C to 300 ° C.

Ein besonders bevorzugtes metallisches Material ist KOVAR.A particularly preferred metallic material is KOVAR.

Des Weiteren gezeigt ist die erste Verbindungsoberfläche 10 des sprödbrüchigen Materials und die zweite Verbindungsoberfläche 12 des metallischen Materials. Im Bereich von erster und zweiter Verbindungsoberfläche 10, 12 ist das metallische Material 3 mit dem sprödbrüchigen Material 1 stoffschlüssig, beispielsweise durch ein Schweißverfahren als Fügeverfahren, verbunden.Also shown is the first connection surface 10 of the brittle material and the second bonding surface 12 of the metallic material. In the area of first and second connection surface 10 . 12 is the metallic material 3 with the brittle material 1 cohesively, for example, by a welding process as a joining process, connected.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform erfolgt die stoffschlüssige Verbindung zwischen der ersten Verbindungsoberfläche 10 und der zweiten Verbindungsoberfläche 12 über eine Zwischenschicht 20 aus einem duktilen Metall mit einer Reißdehnung grösser als 1%. Ein duktiles Metall ist insbesondere Aluminium, Reinaluminium, Reinstaluminium oder Gold, bevorzugt als Folie.In the in 1 As shown embodiment, the material connection between the first connection surface is made 10 and the second connection surface 12 over an intermediate layer 20 of a ductile metal with an elongation at break greater than 1%. A ductile metal is in particular aluminum, pure aluminum, high-purity aluminum or gold, preferably as a film.

Die stoffschlüssige Verbindung erfolgt bevorzugt durch Verschweißen, insbesondere Ultraschallschweißen in einer relativ kurzen Zeit in bevorzugt weniger als 10 sec., insbesondere weniger als 5 sec., insbesondere sogar weniger als 1 sec., ohne hierauf beschränkt zu sein.The cohesive connection is preferably carried out by welding, in particular ultrasonic welding in a relatively short time in preferably less than 10 seconds, in particular less than 5 seconds, in particular even less than 1 second, without being limited thereto.

Eine besonders temperaturfeste Verbindung, insbesondere mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit von mehr als 250 K wird erreicht, wenn die erste Verbindungsoberfläche 10 des sprödbrüchigen Materials 1 behandelt ist. Hier ist denkbar ein thermisches oder chemisches Vorspannen und/oder eine festigkeitssteigernde Beschichtung, eine lokale oder vollflächige Ätzung oder Polieren. Nachfolgend soll anhand von Ausführungsbeispielen das Verbinden von einem sprödbrüchigen Material 1 mit einem metallischen Material unter Einbeziehung einer Zwischenschicht beschrieben werden.A particularly temperature-resistant compound, in particular with high thermal shock resistance of more than 250 K is achieved when the first connection surface 10 of the brittle material 1 is treated. Here is conceivable a thermal or chemical tempering and / or a strength-increasing coating, a local or full-area etching or polishing. Below is based on embodiments, the connection of a brittle material 1 be described with a metallic material including an intermediate layer.

1. Ausführungsbeispiel1st embodiment

In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht das sprödbrüchige Material aus der Glaskeramik Robax® mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizient α20-300 von –0,3·10–6/K. Die für die Verbindung mit einem metallischen Formköper vorgesehene Oberfläche ist eine in einem Walzprozess geformte ebene Oberfläche. Als Zwischenschicht aus duktilem Material kommt eine Folie aus Aluminium EN-AW-1050A mit einer Dicke von 0,1 mm zur Anwendung. Der metallische Formkörper besteht aus einer 0,5 mm dicken und im Durchmesser 22 mm messenden ebenen Grundplatte aus dem Material Kovar mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizient α20-300 von 5,5·10–6/K. Auf der Grundplatte zentrisch und senkrecht zu ihr aufgesetzt befindet sich ein mit der Grundplatte fest verbundener Gewindebolzen mit einer Höhe von 12 mm und einem Durchmesser von 8 mm für weiterführende Montageoptionen gemäß dem weiteren Anwendungszweck des erfindungsgemäßen Bauteils.In a first embodiment, the sprödbrüchige material from the glass-ceramic consists Robax ® having an average thermal expansion coefficient α 20-300 of -0.3 x 10 -6 / K. The surface intended for connection to a metallic shaped body is a flat surface formed in a rolling process. The intermediate layer of ductile material is an aluminum foil EN-AW-1050A with a thickness of 0.1 mm for use. The metallic molded body consists of a 0.5 mm thick and 22 mm in diameter measuring flat base plate made of the material Kovar with a mean thermal expansion coefficient α 20-300 of 5.5 · 10 -6 / K. On the base plate centric and placed perpendicular to her is a firmly connected to the base plate threaded bolt with a height of 12 mm and a diameter of 8 mm for further mounting options according to the further application of the component according to the invention.

In einem Torsions-Ultraschall-Schweißverfahren werden mit Hilfe einer Sonotrode in Form eines Hohlzylinders mit stirnseitiger Rautierung die Glaskeramik Robax, die Zwischenschicht aus Aluminium und die Kovar-Grundplatte miteinander verschweißt, wobei die Stirnseite der Sonotrode auf die Kovar-Grundplatte aufsetzt und eine torsionale Schwingung vollführt. Die Sonotrodenamplitude beträgt 25 μm, die Sonotrodenfrequenz 20 kHz, der Schweißdruck 2,0 bar und die Schweißenergie 800 Ws.In a torsional ultrasonic welding process, the glass ceramic Robax, the intermediate layer of aluminum and the Kovar base plate are welded together with the help of a sonotrode in the form of a hollow cylinder with front side rutting, wherein the front side of the sonotrode touches the Kovar base plate and a torsional vibration performs. The sonotrode amplitude is 25 μm, the sonotrode frequency is 20 kHz, the welding pressure is 2.0 bar and the welding power is 800 Ws.

Der so hergestellte Verbundkörper weist eine flächige Verbindung zwischen der Robax-Glaskeramik und der Zwischenschicht aus Aluminium auf, andererseits und zugleich eine Verbindung zwischen der Zwischenschicht aus Aluminium und der Kovar-Grundplatte. Die im Schweißprozess hergestellte Kontaktfläche beträgt ca. 1,5 cm2. Eine nachfolgende thermische Beanspruchung durch 100 Temperaturwechsel zwischen Raumtemperatur 25°C und Maximaltemperatur 350°C übersteht der Verbundkörper ohne erkennbaren Schaden. Eine Überprüfung der Beständigkeit der Verbindung durch einen mechanischen Belastungstest ergab eine Scherfestigkeit von mindestens 700 N.The composite body thus produced has a surface connection between the Robax glass ceramic and the intermediate layer of aluminum, on the other hand, and at the same time a connection between the intermediate layer of aluminum and the Kovar base plate. The contact surface produced in the welding process is approximately 1.5 cm 2 . A subsequent thermal stress caused by 100 temperature changes between room temperature 25 ° C and maximum temperature 350 ° C, the composite body without visible damage. A test of the resistance of the compound by a mechanical load test resulted in a shear strength of at least 700 N.

2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment

In einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht das sprödbrüchige Material aus der Glaskeramik Ceran® mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizient α20-300 von –0,2·10–6/K. Die für die Verbindung mit einem metallischen Formkörper vorgesehene Oberfläche ist eine in einem Walzprozess geformte Oberfläche mit der aus der Anwendung als Kochfläche bekannten Noppenstruktur. Als Zwischenschicht aus duktilem Material kommt eine Folie aus Aluminium EN-AW-1050A mit einer Dicke von 0,1 mm zur Anwendung. Der metallische Formkörper besteht aus einer 0,5 mm dicken und im Durchmesser 22 mm messenden ebenen Grundplatte aus dem Material Kovar mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizient α20-300 von 5,5·10–6/K. Auf der Grundplatte zentrisch und senkrecht zu ihr aufgesetzt befindet sich ein mit der Grundplatte fest verbundener Gewindebolzen mit einer Höhe von 12 mm und einem Durchmesser von 8 mm für weiterführende Montageoptionen gemäß dem weiteren Anwendungszweck des erfindungsgemäßen Bauteils.In a second exemplary embodiment, the brittle material consists of the glass ceramic Ceran® with a mean thermal expansion coefficient α 20-300 of -0.2 × 10 -6 / K. The surface intended for connection to a metallic molding is a surface formed in a rolling process with the nub structure known from the application as a cooking surface. The intermediate layer of ductile material is an aluminum foil EN-AW-1050A with a thickness of 0.1 mm for use. The metallic molded body consists of a 0.5 mm thick and 22 mm in diameter measuring flat base plate made of the material Kovar with a mean thermal expansion coefficient α 20-300 of 5.5 · 10 -6 / K. On the base plate centric and placed perpendicular to her is a firmly connected to the base plate threaded bolt with a height of 12 mm and a diameter of 8 mm for further mounting options according to the further application of the component according to the invention.

In einem Torsions-Ultraschall-Schweißverfahren werden mit Hilfe einer Sonotrode in Form eines Hohlzylinders mit stirnseitiger Rautierung die Glaskeramik Ceran, die Zwischenschicht aus Aluminium und die Kovar-Grundplatte miteinander verschweißt, wobei die Stirnseite der Sonotrode auf die Kovar-Grundplatte aufsetzt und eine torsionale Schwingung vollführt. Die Sonotrodenamplitude beträgt 25 μm, die Sonotrodenfrequenz 20 kHz, der Schweißdruck 1,5 bar und die Schweißenergie 500 Ws.In a torsional ultrasonic welding process, the glass ceramic Ceran, the intermediate layer of aluminum and the Kovar base plate are welded together using a sonotrode in the form of a hollow cylinder with frontal Rautierung, the front side of the sonotrode touches the Kovar base plate and a torsional vibration performs. The sonotrode amplitude is 25 μm, the sonotrode frequency is 20 kHz, the welding pressure is 1.5 bar and the welding power is 500 Ws.

Der so hergestellte Verbundkörper weist eine Verbindung zwischen den im Kontaktbereich gelegenen Noppenkuppen der Ceran-Glaskeramik und der Zwischenschicht aus Aluminium auf, andererseits und zugleich eine Verbindung zwischen der Zwischenschicht aus Aluminium und der Kovar-Grundplatte. Eine nachfolgende thermische Beanspruchung durch 100 Temperaturwechsel zwischen Raumtemperatur 25°C und Maximaltemperatur 350°C übersteht der Verbundkörper ohne erkennbaren Schaden. Eine Überprüfung der Beständigkeit der Verbindung durch einen mechanischen Belastungstest ergab eine Scherfestigkeit von mindestens 700 N.The composite body thus produced has a connection between those in the contact area On the other hand, and at the same time a connection between the intermediate layer of aluminum and the Kovar base plate located Nubpenkuppen the Ceran glass ceramic and the intermediate layer of aluminum. A subsequent thermal stress caused by 100 temperature changes between room temperature 25 ° C and maximum temperature 350 ° C, the composite body without visible damage. A test of the resistance of the compound by a mechanical load test resulted in a shear strength of at least 700 N.

3. Ausführungsbeispiel3rd embodiment

In einem dritten Ausführungsbeispiel besteht das sprödbrüchige Material aus der Glaskeramik Robax® mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizient α20-300 von –0,3·10–6/K. Die für die Verbindung mit einem metallischen Formköper vorgesehene Oberfläche ist eine in einem Walzprozess geformte ebene Oberfläche mit nachfolgender Politur im Bereich der späteren Kontaktfläche. Als Zwischenschicht aus duktilem Material kommt eine Folie aus Aluminium EN-AW-1050A mit einer Dicke von 0,1 mm zur Anwendung. Der metallische Formkörper besteht aus einer 0,5 mm dicken und im Durchmesser 22 mm messenden ebenen Grundplatte aus dem Material Kovar mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizient α20-300 von 5,5·10–6/K. Auf der Grundplatte zentrisch und senkrecht zu ihr aufgesetzt befindet sich ein mit der Grundplatte fest verbundener Gewindebolzen mit einer Höhe von 12 mm und einem Durchmesser von 8 mm für weiterführende Montageoptionen gemäß dem weiteren Anwendungszweck des erfindungsgemäßen Bauteils.In a third embodiment, the sprödbrüchige material from the glass-ceramic consists Robax ® having an average thermal expansion coefficient α 20-300 of -0.3 x 10 -6 / K. The surface intended for connection to a metallic shaped body is a flat surface formed in a rolling process with subsequent polishing in the region of the subsequent contact surface. The intermediate layer of ductile material is an aluminum foil EN-AW-1050A with a thickness of 0.1 mm for use. The metallic molded body consists of a 0.5 mm thick and 22 mm in diameter measuring flat base plate made of the material Kovar with a mean thermal expansion coefficient α 20-300 of 5.5 · 10 -6 / K. On the base plate centric and placed perpendicular to her is a firmly connected to the base plate threaded bolt with a height of 12 mm and a diameter of 8 mm for further mounting options according to the further application of the component according to the invention.

In einem Torsions-Ultraschall-Schweißverfahren werden mit Hilfe einer Sonotrode in Form eines Hohlzylinders mit stirnseitiger Rautierung die Glaskeramik Robax, die Zwischenschicht aus Aluminium und die Kovar-Grundplatte miteinander verschweißt, wobei die Stirnseite der Sonotrode auf die Kovar-Grundplatte aufsetzt und eine torsionale Schwingung vollführt. Die Sonotrodenamplitude beträgt 25 μm, die Sonotrodenfrequenz 20 kHz, der Schweißdruck 2,0 bar und die Schweißenergie 750 Ws.In a torsional ultrasonic welding process, the glass ceramic Robax, the intermediate layer of aluminum and the Kovar base plate are welded together with the help of a sonotrode in the form of a hollow cylinder with frontal rauting, the front side of the sonotrode resting on the Kovar base plate and a torsional vibration performs. The sonotrode amplitude is 25 μm, the sonotrode frequency is 20 kHz, the welding pressure is 2.0 bar and the welding power is 750 Ws.

Der so hergestellte Verbundkörper weist eine flächige Verbindung zwischen der Robax-Glaskeramik und der Zwischenschicht aus Aluminium auf, andererseits und zugleich eine Verbindung zwischen der Zwischenschicht aus Aluminium und der Kovar-Grundplatte. Die im Schweißprozess hergestellte Kontaktfläche beträgt ca. 1,5 cm2. Eine nachfolgende thermische Beanspruchung durch 100 Temperaturwechsel zwischen Raumtemperatur 25°C und Maximaltemperatur 400°C übersteht der Verbundkörper ohne erkennbaren Schaden. Eine Überprüfung der Beständigkeit der Verbindung durch einen mechanischen Belastungstest ergab eine Scherfestigkeit von 3800 N.The composite body thus produced has a surface connection between the Robax glass ceramic and the intermediate layer of aluminum, on the other hand, and at the same time a connection between the intermediate layer of aluminum and the Kovar base plate. The contact surface produced in the welding process is approximately 1.5 cm 2 . A subsequent thermal stress by 100 temperature changes between room temperature 25 ° C and maximum temperature 400 ° C survives the composite body without visible damage. A test of the resistance of the compound by a mechanical load test resulted in a shear strength of 3800 N.

4. Ausführungsbeispiel4th embodiment

In einem vierten Ausführungsbeispiel besteht das sprödbrüchige Material aus dem Glas Borofloat 33® mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizient α20-300 von 3,3·10–6/K. Die für die Verbindung mit einem metallischen Formköper vorgesehene Oberfläche ist eine in einem Floatprozess geformte feuerpolierte Oberfläche. Als Zwischenschicht aus duktilem Material kommt eine Folie aus Aluminium EN-AW-1050A mit einer Dicke von 0,1 mm zur Anwendung. Der metallische Formkörper besteht aus einer 0,5 mm dicken und im Durchmesser 22 mm messenden ebenen Grundplatte aus dem Material Kovar mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizient α20-300 von 5,5·10–6/K. Auf der Grundplatte zentrisch und senkrecht zu ihr aufgesetzt befindet sich ein mit der Grundplatte fest verbundener Gewindebolzen mit einer Höhe von 12 mm und einem Durchmesser von 8 mm für weiterführende Montageoptionen gemäß dem weiteren Anwendungszweck des erfindungsgemäßen Bauteils.In a fourth embodiment, the brittle material consists of the glass Borofloat 33 ® with a mean thermal expansion coefficient α 20-300 of 3.3 · 10 -6 / K. The surface intended for connection to a metallic shaped body is a fire-polished surface formed in a float process. The intermediate layer of ductile material is an aluminum foil EN-AW-1050A with a thickness of 0.1 mm for use. The metallic molded body consists of a 0.5 mm thick and 22 mm in diameter measuring flat base plate made of the material Kovar with a mean thermal expansion coefficient α 20-300 of 5.5 · 10 -6 / K. On the base plate centric and placed perpendicular to her is a firmly connected to the base plate threaded bolt with a height of 12 mm and a diameter of 8 mm for further mounting options according to the further application of the component according to the invention.

In einem Torsions-Ultraschall-Schweißverfahren werden mit Hilfe einer Sonotrode in Form eines Hohlzylinders mit stirnseitiger Rautierung das Glas Borofloat 33, die Zwischenschicht aus Aluminium und die Kovar-Grundplatte miteinander verschweißt, wobei die Stirnseite der Sonotrode auf die Kovar-Grundplatte aufsetzt und eine torsionale Schwingung vollführt. Die Sonotrodenamplitude beträgt 25 μm, die Sonotrodenfrequenz 20 kHz, der Schweißdruck 2,0 bar und die Schweißenergie 700 Ws.In a torsional ultrasonic welding process, the glass Borofloat 33, the intermediate layer of aluminum and the Kovar base plate are welded together using a sonotrode in the form of a hollow cylinder with frontal Rautierung, with the front side of the sonotrode touches the Kovar base plate and a torsional Vibration takes place. The sonotrode amplitude is 25 μm, the sonotrode frequency is 20 kHz, the welding pressure is 2.0 bar and the welding energy is 700 Ws.

Der so hergestellte Verbundkörper weist eine flächige Verbindung zwischen dem Borofloat 33-Glas und der Zwischenschicht aus Aluminium auf, andererseits und zugleich eine Verbindung zwischen der Zwischenschicht aus Aluminium und der Kovar-Grundplatte. Die im Schweißprozess hergestellte Kontaktfläche beträgt ca. 1,5 cm2. Eine nachfolgende thermische Beanspruchung durch 100 Temperaturwechsel zwischen Raumtemperatur 25°C und Maximaltemperatur 300°C übersteht der Verbundkörper ohne erkennbaren Schaden. Eine Überprüfung der Beständigkeit der Verbindung durch einen mechanischen Belastungstest ergab eine Scherfestigkeit von mindestens 500 N.The composite body thus produced has a surface connection between the Borofloat 33 glass and the intermediate layer of aluminum, on the other hand, and at the same time a connection between the intermediate layer of aluminum and the Kovar base plate. The contact surface produced in the welding process is approximately 1.5 cm 2 . A subsequent thermal stress caused by 100 temperature changes between room temperature 25 ° C and maximum temperature 300 ° C, the composite body without visible damage. A test of the resistance of the compound by a mechanical stress test resulted in a shear strength of at least 500 N.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19917133 A1 [0020, 0020] DE 19917133 A1 [0020, 0020]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • EN-AW-1050A [0040] EN-AW-1050A [0040]
  • EN-AW-1050A [0043] EN-AW-1050A [0043]
  • EN-AW-1050A [0046] EN-AW-1050A [0046]
  • EN-AW-1050A [0049] EN-AW-1050A [0049]

Claims (12)

Körper (100), umfassend wenigstens ein sprödbrüchiges Material (1), insbesondere eine Glaskeramik, ein Glas oder eine Keramik und ein metallisches Material (3), dadurch gekennzeichnet, dass das sprödbrüchige Material (1) mit dem metallischen Material (3) eine hochtemperaturfeste, stoffschlüssige Verbindung für Temperaturen von mehr als 250°C, insbesondere mehr als 300°C, bevorzugt mehr als 400°C, insbesondere mehr als 500°C, ausbildet und die Verbindung von sprödbrüchigem Material (1) und metallischem Material (3) eine Zwischenschicht (20) zwischen dem sprödbrüchigen Material (3) und dem metallischen Material (1) umfasst, insbesondere eine Zwischenschicht (20) aus einem duktilen Metall mit einer Reißdehnung ≥ 1%, bevorzugt ≥ 2%, insbesondere ≥ 4%, ganz bevorzugt ≥ 10%, insbesondere im Bereich 1% bis 20%, ganz besonders bevorzugt im Bereich 2% bis 15%.Body ( 100 ) comprising at least one brittle-fracture material ( 1 ), in particular a glass ceramic, a glass or a ceramic and a metallic material ( 3 ), characterized in that the brittle material ( 1 ) with the metallic material ( 3 ) forms a high-temperature-resistant, material-bonding compound for temperatures of more than 250 ° C, in particular more than 300 ° C, preferably more than 400 ° C, in particular more than 500 ° C, and the compound of brittle material ( 1 ) and metallic material ( 3 ) an intermediate layer ( 20 ) between the brittle material ( 3 ) and the metallic material ( 1 ), in particular an intermediate layer ( 20 ) of a ductile metal having an elongation at break ≥ 1%, preferably ≥ 2%, in particular ≥ 4%, very preferably ≥ 10%, in particular in the range 1% to 20%, very particularly preferably in the range 2% to 15%. Körper (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (20) eine Folie mit einer Schichtdicke ≤ 200 μm, insbesondere im Bereich 20 μm bis 200 μm, bevorzugt 50 μm bis 150 μm, insbesondere bevorzugt 50 μm bis 100 μm, ist.Body ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the intermediate layer ( 20 ) is a film having a layer thickness ≤ 200 .mu.m, in particular in the range 20 .mu.m to 200 .mu.m, preferably 50 .mu.m to 150 .mu.m, particularly preferably 50 .mu.m to 100 .mu.m. Körper (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das duktile Metall Aluminium oder Reinaluminium oder Reinstaluminium oder Gold ist.Body ( 100 ) according to one of claims 1 to 2, characterized in that the ductile metal is aluminum or pure aluminum or pure aluminum or gold. Körper (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sprödbrüchige Material (1) ein niedrigdehnendes Material im Temperaturbereich 20°C bis 300°C, bevorzugt mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten αspröd(20°C–300°C) ≤ 4·10–6/K, insbesondere ≤ 2·10–6/K, bevorzugt im Bereich –1,0·10–6/K ≤ α ≤ 4·10–6/K, insbesondere bevorzugt –0,6·10–6/K ≤ αspröd ≤ 2·10–6/K ist.Body ( 100 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the brittle material ( 1 ) a low-expansion material in the temperature range 20 ° C to 300 ° C, preferably with a thermal coefficient of linear expansion α brittle (20 ° C-300 ° C) ≤ 4 · 10 -6 / K, in particular ≤ 2 · 10 -6 / K, preferably in the range -1.0 × 10 -6 / K ≦ α ≦ 4 × 10 -6 / K, particularly preferably -0.6 × 10 -6 / K ≦ α brittle ≦ 2 × 10 -6 / K. Körper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das sprödbrüchige Material (1) eine Glaskeramik, insbesondere eine Li-Al-Si-Glaskeramik oder ein Glas, insbesondere ein Borosilikatglas ist.Body according to claim 4, characterized in that the brittle material ( 1 ) is a glass ceramic, in particular a Li-Al-Si glass ceramic or a glass, in particular a borosilicate glass. Körper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (3) einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten αMetall(20°C–300°C) ≤ 20·10–6/K, insbesondere im Bereich 4·10–6/K ≤ αMetall(20°C–300°C) ≤ 6·10–6/K umfasst.Body according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the metallic material ( 3 ) a thermal expansion coefficient α metal (20 ° C-300 ° C) ≤ 20 · 10 -6 / K, especially in the range 4 · 10 -6 / K ≤ α metal (20 ° C-300 ° C) ≤ 6 · 10 -6 / K. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (3) derart ausgewählt wird, dass der thermische Längenausdehnungskoeffizient αMetall(20°C bis 300°C) im Bereich αspröd – 10·10–6/K ≤ αMetall ≤ αspröd + 10·10–6/K, bevorzugt αspröd – 8·10–6/K ≤ αMetall ≤ αspröd + 8·10–6/K, insbesondere αspröd – 5·10–6/K ≤ αMetall ≤ αspröd + 5·10–6/K ist.Body according to one of claims 1 to 6, characterized in that the metallic material ( 3 ) is selected such that the thermal expansion coefficient α metal (20 ° C to 300 ° C) in the range α brittle - 10 · 10 -6 / K ≤ α metal ≤ α brittle + 10 · 10 -6 / K, preferably α brittle - 8 · 10 -6 / K ≤ α metal ≤ α brittle + 8 · 10 -6 / K, in particular α brittle - 5 · 10 -6 / K ≤ α metal ≤ α brittle + 5 · 10 -6 / K. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (3) Wolfram oder Molybdän oder KOVAR oder Stahl oder Edelstahl ist.Body according to one of claims 1 to 7, characterized in that the metallic material ( 3 ) Is tungsten or molybdenum or KOVAR or steel or stainless steel. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das sprödbrüchige Material (1) in einem Bereich der stoffschlüssigen Verbindung eine Oberfläche (10) aufweist, wobei die Oberfläche vorbehandelt ist, insbesondere thermisch oder chemisch vorgespannt und/oder festigkeitssteigernd beschichtet und/oder lokal oder vollflächig geätzt und/oder poliert ist.Body according to one of claims 1 to 8, characterized in that the brittle material ( 1 ) in a region of the material connection a surface ( 10 ), wherein the surface is pretreated, in particular thermally or chemically prestressed and / or strength-enhancing coated and / or etched locally or over the entire surface and / or polished. Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung eines sprödbrüchigen Materials und eines metallischen Materials mit folgenden Schritten: – es wird ein sprödbrüchiges niedrigdehnendes Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten αspröd im Temperaturbereich 20°C bis 300°C von αspröd(20°C–300°C) ≤ 4·10–6/K, insbesondere αspröd ≤ 2·10–6/K, bevorzugt im Bereich –1,0·10–6/K ≤ αspröd ≤ 4·10–6/K, bevorzugt –0,6·10–6/K αspröd ≤ 2·10–6/K, mit einer ersten Verbindungsoberfläche (10) zur Verfügung gestellt; – es wird ein metallisches Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α im Temperaturbereich 20°C bis 300°C mit αMetall(20°C–300°C) ≤ 20·10–6/K, insbesondere im Bereich 4·10–6/K ≤ αMetall ≤ 6·10–6/K, mit einer zweiten Verbindungsoberfläche (12) zur Verfügung gestellt, insbesondere KOVAR; – es wird eine Zwischenschicht (20) insbesondere aus einem duktilen Metall mit einer Reißdehnung ≥ 1%, bevorzugt ≥ 2%, insbesondere ≥ 4%, ganz bevorzugt ≥ 10%, insbesondere im Bereich 1% bis 20%, ganz besonders bevorzugt im Bereich 2% bis 15%, bevorzugt mit einer Schichtdicke ≤ 200 μm, insbesondere zwischen 50 μm und 200 μm zwischen die erste Verbindungsfläche (10) und die zweite Verbindungsfläche (12) eingebracht; – das sprödbrüchige Material (1) wird mit dem metallischen Material (3) über die Zwischenschicht (20) stoffschlüssig derart verbunden, dass eine hochtemperaturfeste Verbindung für Temperaturen von mehr als 250°C, insbesondere mehr als 300°C, bevorzugt mehr als 400°C, insbesondere mehr als 500°C, zur Verfügung gestellt wird.A method for producing a material-locking connection of a brittle material and a metallic material, comprising the following steps: a brittle-brittle, low-elongation material having a thermal coefficient of linear expansion α brittle in the temperature range from 20 ° C to 300 ° C of α brittle (20 ° C-300 ° C ) ≦ 4 × 10 -6 / K, in particular α brittle ≦ 2 × 10 -6 / K, preferably in the range -1.0 × 10 -6 / K ≦ α brittle ≦ 4 × 10 -6 / K, preferably -0 , 6 · 10 -6 / K α brittle ≤ 2 · 10 -6 / K, with a first connection surface ( 10 ) made available; It is a metallic material with a thermal expansion coefficient α in the temperature range 20 ° C to 300 ° C with α metal (20 ° C-300 ° C) ≤ 20 · 10 -6 / K, in particular in the range 4 · 10 -6 / K ≤ α metal ≤ 6 · 10 -6 / K, with a second bonding surface ( 12 ), in particular KOVAR; - it becomes an intermediate layer ( 20 ) in particular of a ductile metal having an elongation at break ≥ 1%, preferably ≥ 2%, in particular ≥ 4%, very preferably ≥ 10%, in particular in the range 1% to 20%, very particularly preferably in the range 2% to 15%, preferably with a layer thickness ≤ 200 μm, in particular between 50 μm and 200 μm between the first connection surface ( 10 ) and the second interface ( 12 ) brought in; - the brittle material ( 1 ) is mixed with the metallic material ( 3 ) over the intermediate layer ( 20 ) materially connected such that a high temperature resistant compound for temperatures of more than 250 ° C, in particular more than 300 ° C, preferably more than 400 ° C, in particular more than 500 ° C, is provided. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das sprödbrüchige Material (1) mit dem metallischen Material (3) durch Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, bevorzugt in Form von Punktschweißen, Rollnahtschweißen oder Torsionsschweißen verbunden wird.A method according to claim 10, characterized in that the brittle material ( 1 ) with the metallic material ( 3 ) is connected by welding, in particular ultrasonic welding, preferably in the form of spot welding, seam welding or torsion welding. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verbindungsoberfläche thermisch oder chemisch vorgespannt und/oder festigkeitssteigernd beschichtet und/oder lokal oder vollflächig geätzt und/oder poliert ist. Method according to one of claims 10 to 11, characterized in that the first connection surface is thermally or chemically biased and / or strength-enhancing coated and / or locally or fully etched and / or polished.
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