Método de unión de materiales de ITM usando una fase líquida parcial o completamente transitoria.

Un método para unir al menos dos cuerpos sinterizados para formar una estructura de material compuesto,

comprendiendo dicho método:

proporcionar un primer cuerpo sinterizado que comprende un primer óxido metálico de multi-componenteque tiene una primera estructura de cristal seleccionada entre el grupo que consiste en una estructuraperovsquítica y una estructura fluorítica;

proporcionar un segundo cuerpo sinterizado que comprende un segundo óxido metálico de multicomponenteque tiene una segunda estructura de cristal idéntica a la de la primera estructura de cristal;

proporcionar en la interfase entre el primer cuerpo sinterizado y el segundo cuerpo sinterizado un materialde junta que comprende al menos un óxido de metal, en el que al menos el óxido de metal:

(a) comprende (i) al menos un metal de un Grupo de la Tabla Periódica IUPAC idéntico al de almenos el metal de cuerpo sinterizado de uno del primer óxido metálico de multi-componente y elsegundo óxido metálico de multi-componente y/o (ii) un metal de transición de la primera fila delBloque-D no presente en el primer óxido metálico de multi-componente ni en el segundo óxidometálico de multi-componente y/o (ii) un lantánido no presente en el primer óxido metálico de multicomponenteni en el segundo óxido metálico de multi-componente;

(b) se encuentra libre de metales presentes en el primer óxido metálico de multi-componente ysegundo óxido metálico de multi-componente;

(c) se encuentra libre de cationes de boro, silicio, germanio, estaño, plomo, arsénico, antimonio,fósforo y teluro; y

(d) presenta un punto de fusión por debajo de la primera temperatura de sinterización del primercuerpo sinterizado y la segunda temperatura de sinterización del segundo cuerpo sinterizado; y

calentar los cuerpos sinterizados y el material de junta a una temperatura de unión por encima del punto defusión de al menos un óxido de metal y por debajo de las temperaturas de sinterización primera y segunda,durante el período de tiempo suficiente para permitir que la fase líquida sea consumida entre el primercuerpo sinterizado y el segundo cuerpo sinterizado y de este modo proporcionar la estructura de materialcompuesto.

Método de unión de materiales de ITM usando una fase líquida parcial o completamente transitoria La presente invención fue llevada a cabo en parte con los fondos procedentes del Departamento de Energía de Estados Unidos bajo el programa DE-FC-98TF40343. El Gobierno de los Estados Unidos tiene los derechos de la presente invención como se define en las reivindicaciones.

Antecedentes de la invención La presente invención se refiere a un procedimiento para formar una junta en una interfase entre dos cuerpos sinterizados que comprenden óxidos metálicos multi-componente de una estructura de cristal específico. Cuando se emplean dichos cuerpos sinterizados en un dispositivo tal como un dispositivo de separación de oxígeno, con frecuencia es obligatorio unir el mismo de forma segura o incluso proporcionar una junta hermética frente a gases, siendo necesario que dicha junta soporte las condiciones de operación del dispositivo. Los cuerpos sinterizados típicos de los dispositivos anteriores son una membrana de transporte de iones (un electrolito) , una interconexión, un soporte, tubos cerámicos, sellantes y conductos, etc. Típicamente dichos cuerpos sinterizados se unen tubo-tubo, tubo-placa lisa y placa lisa-placa lisa, respectivamente.

Es probable que cualquier junta forme el punto más débil de todo el dispositivo. Los puntos débiles son críticos en los casos en los que el dispositivo se encuentra sujeto a condiciones de operación severas tales como temperatura elevada, diferencias de presión elevadas o entornos altamente oxidantes o reductores que son tolerados por los propios cuerpos sinterizados. Para proporcionar un dispositivo viable desde el punto de vista comercial, es necesario que la junta mantenga la integridad mecánica, compatibilidad con los cuerpos sinterizados y estanqueidad frente a gases incluso cuando es sometida a condiciones de operación. Por consiguiente, una junta ideal presentaría propiedades químicas y mecánicas comparables a las de los materiales objeto de unión, especialmente estabilidad de ciclado térmico comparable.

Hasta ahora, se han formado juntas entre cuerpos sinterizados por medio del uso de soldadura metálica, óxidos nano-cristalinos, materiales eutécticos de óxido-metal, vidrios y materiales compuestos de cerámica-vidrio. Véase, por ejemplo, S.D. Peteves et al., "The reactive route to ceramic joining: fabrication, interfacial chemistr y and joint properties", Acta mater Vol. 46, Nº. 7 (1998) , pp. 2407-2414; Y. lino, "Partial transient liquid-phase metals layer technique of ceramic metal bonding", J. of Mat. Sci. Lett. 10, (1991) , pp. 104-106; S. Serkowski, "Application of ceramic-metal eutectics for solid-state bonding between ceramics", Int. Symp. Ceram. Mater. Compon. Engines, 4º (Roger Carlsson et al. eds.) (1992) pp. 348-355; M. Neuhauser et al. "Fugen von Technischen Keramiken mit Keramik-Grunfolien, " Ber DGK, Vol 72, Nº. 1-2 (1995) pp. 17-20; D. Seifert et al. "Verbind poroser mit dichtgesinterter Al2O3-Keramik durch Fugen mit keramischen Folien", Ber. DGK, Vol. 73 Nº. 10 (1996) 585-589; y R. Chaim et al. "Joinning of alumina ceramics using nanocr y stalline tape cast interlayer". J. of Materials Research, 15 (2000) pp. 1724-1728. La unión de cuerpos sinterizados usando materiales eutécticos de cerámica-metal presenta la desventaja de requerir el uso de un metal. Muchos metales se oxidan al aire a temperaturas elevadas y por tanto requieren el uso de atmósferas reductoras especiales para evitar la formación de un óxido de metal. Puede ocurrir que los cuerpos sinterizados a unir no sean estables en estas atmósferas reductoras, lo que resultaría en la descomposición de los cuerpos sinterizados. La unión de los cuerpos sinterizados usando capas intermedias nanocristalinas presenta la desventaja de requerir presiones muy elevadas que podrían dañar las partes a unir debido a deformación plástica o incluso fractura.

El uso de soldaduras, es decir, materiales metálicos, o vidrios, es decir, disoluciones de sólidos de óxidos metálicos de multi-componente presenta la desventaja de dejar atrás una fase interfacial del material de la junta con propiedades que difieren de, y en muchos casos que son inferiores a, las de los materiales objeto de unión. Por ejemplo, las soldaduras dejan atrás un metal dúctil que, a temperaturas elevadas, puede experimentar deformación plástica, resultar incompatible con los materiales cerámicos que le rodean u oxidarse. De manera similar, las uniones de vidrio pueden presentar coeficientes de expansión térmica considerablemente diferentes en comparación con los óxidos metálicos de multi-componente que le rodean, presentando una estructura perovsquítica o fluorítica, dando lugar a tensiones residuales no deseadas que siguen a los cambios de temperatura. Las uniones de vidrio se ablandarán posteriormente y fluirán a temperaturas por encima de su respectiva temperatura de transición vítrea. Finalmente, las juntas de vidrio pueden resultar químicamente incompatibles con un cuerpo sinterizado de estructura perovsquítica o fluorítica a temperaturas elevadas. En cualquier caso, debido al material restante, de manera inevitable, la junta será visual o microscópicamente detectable, estando sus propiedades determinadas por medio del material de la propia junta, no por los cuerpos objeto de unión.

Otro método para formar la unión se describe en B. H. Rabin, and G. A. Moore "Reaction processing and properties of SiC-to-SiC joints", Material. Res. Soc. Symp. Proc. 314 (1993) , 197-203, Material Research Society, Pittsburgh. En el presente documento se describe que los componentes SiC se pueden unir usando una mezcla de polvos de Si y

C. El documento no dice nada sobre la unión de óxidos en general, y especialmente sobre la unión de óxidos metálicos de multi-componente que presentan estructura fluorítica o perovsquítica.

D. Steifer et al. "Verbind poroser mit dichtgesinterter Al2O3-Keramik durch Fugen mit keramischen Folien", Ber. DGK, Vol. 73 Nº. 10 (1996) 585-589, describe un método para unir materiales cerámicos de alúmina usando papeles metalizados para la unión de materiales cerámicos de alúmina-titania-calcia-magnesia. También se describen otros papeles metalizados de unión de alúmina-titania-calcia-magnesia-sílice y alúmina-titania-manganeso óxido de hierroóxido de sílice. La temperatura de unión fue mayor que 100 ºK menor que la temperatura de sinterización de los materiales cerámicos de alúmina objeto de unión. Estas composiciones de unión formaron una fase líquida tras el calentamiento hasta la temperatura de unión. Tras la unión, la junta mantuvo la composición de los papeles metalizados de unión y presentó una composición diferente de la de los cuerpos de alúmina que se unieron. Esta referencia afirma que las composiciones de unión a usar son altamente específicas para los materiales cerámicos objeto de unión. Esta referencia no se pronuncia sobre el modo de unir óxidos metálicos multi-componente. No se pronuncia de manera específica sobre el modo de unir óxidos multi-componente perovsquíticos.

Otro método para unir materiales cerámicos de alúmina se describe en M. Neuhauser et al. "Fugen von Technischen Keramiken mit Keramik-Grunfolien", Ber. DGK, Vol. 72. Nº. 1-2 (1995) pp. 17-20. Este método requiere el uso de papeles metalizados cerámicos fabricados a partir de una mezcla de alúmina, sílice y otros óxidos. La presencia de sílice resulta no deseable debido a que la sílice puede resultar química o mecánicamente incompatible con los materiales cerámicos objeto de unión. Además, la presente referencia tampoco se pronuncia sobre el modo de unir óxidos metálicos de multi-componente.

Un tercer método para unir partes de alúmina usando una mezcla de unión eutéctica de (Al, Cr) 2O3-Cr se describe en S. Serkowski, "Application of ceramic-metal eutectics for solid-state bonding between ceramics". Int. Symp. Ceram. Mater. Compon. Engines, 4º (Roger Carlsson et al. eds) (1992) pp. 348-355. Para obtener la junta, fueron necesarias atmósferas de gas especiales para producir presiones parciales de oxígeno reducidas con el fin de permitir la fusión de la mezcla de unión. El requisito de estas atmósferas de gas especiales limita los materiales cerámicos con los cuales se pueden usar las mezclas eutécticas. Muchos materiales cerámicos no serán estables bajo las condiciones de presión parcial de oxígeno reducida necesarias para se produzca la fusión de los materiales eutécticos. También las mezclas de unión eutécticas provocarán que el material de junta sea química y mecánicamente disimilar a los cuerpos objeto de unión. Esto presentará el efecto negativo de la estabilidad y la integridad de la junta. Además, la presente referencia... [Seguir leyendo]

1. Un método para unir al menos dos cuerpos sinterizados para formar una estructura de material compuesto, comprendiendo dicho método:

proporcionar un primer cuerpo sinterizado que comprende un primer óxido metálico de multi-componente que tiene una primera estructura de cristal seleccionada entre el grupo que consiste en una estructura perovsquítica y una estructura fluorítica; proporcionar un segundo cuerpo sinterizado que comprende un segundo óxido metálico de multicomponente que tiene una segunda estructura de cristal idéntica a la de la primera estructura de cristal; proporcionar en la interfase entre el primer cuerpo sinterizado y el segundo cuerpo sinterizado un material de junta que comprende al menos un óxido de metal, en el que al menos el óxido de metal:

(a) comprende (i) al menos un metal de un Grupo de la Tabla Periódica IUPAC idéntico al de al menos el metal de cuerpo sinterizado de uno del primer óxido metálico de multi-componente y el segundo óxido metálico de multi-componente y/o (ii) un metal de transición de la primera fila del Bloque-D no presente en el primer óxido metálico de multi-componente ni en el segundo óxido metálico de multi-componente y/o (ii) un lantánido no presente en el primer óxido metálico de multicomponente ni en el segundo óxido metálico de multi-componente;

(b) se encuentra libre de metales presentes en el primer óxido metálico de multi-componente y segundo óxido metálico de multi-componente;

(c) se encuentra libre de cationes de boro, silicio, germanio, estaño, plomo, arsénico, antimonio, fósforo y teluro; y

(d) presenta un punto de fusión por debajo de la primera temperatura de sinterización del primer cuerpo sinterizado y la segunda temperatura de sinterización del segundo cuerpo sinterizado; y

calentar los cuerpos sinterizados y el material de junta a una temperatura de unión por encima del punto de fusión de al menos un óxido de metal y por debajo de las temperaturas de sinterización primera y segunda, durante el período de tiempo suficiente para permitir que la fase líquida sea consumida entre el primer cuerpo sinterizado y el segundo cuerpo sinterizado y de este modo proporcionar la estructura de material compuesto.

2. El método de la reivindicación 1, en el que al menos un óxido de metal tras el calentamiento proporciona una fase líquida y al menos una fase sólida.

3. El método de la reivindicación 2, en el que la fase líquida y al menos una fase sólida reaccionan para formar la junta.

4. El método de la reivindicación 1, en el que el primer óxido metálico de multi-componente contiene dos metales también presentes en el segundo óxido metálico de multi-componente.

5. El método de la reivindicación 1, en el que el material de junta comprende (a) un metal del Grupo 2 de la Tabla Periódica IUPAC no presente en uno del primer y segundo óxidos de metal de multi-componente y/o (b) un metal de transición de la primera fila del bloque-D no presente en el primer ni en el segundo óxidos metálicos de multicomponente.

6. El método de la reivindicación 1, en el que la primera y segunda estructuras de cristal consisten en un miembro seleccionado entre el grupo que consiste en fluorita, browmillerita, fases de Aurivillius y perovsquita.

7. El método de la reivindicación 1, en el que la junta está seleccionada entre el grupo que consiste en juntas tubotubo, placa lisa-tubo placa lisa-placa lisa.

8. El método de la reivindicación 1, en el que el primer y segundo óxidos metálicos de multi-componente son iguales

o diferentes y están representados de manera independiente por medio de en la que A es un lantánido del bloque F, La o una de sus mezclas; A´ es un metal del grupo 2; A" está seleccionado entre los Grupos 1, 2 y 3 de la tabla periódica IUPAC y los lantánidos del bloque-F; B, B´y B" son diferentes unos de otros y están seleccionados de manera independiente entre metales de transición del bloque-D; 8 es un número que da lugar a la composición neutra de carga; y en el que 0:x:1; 0:x:´1; 0:x":1; 0:y:1, 1; 0:y´:1 y 0:y":1, 1, con la condición de que (x+x´+x") = 1 y 0, 9: (y+y´+y") :1, 1.

9. El método de la reivindicación 8, en el que el primer óxido metálico de multi-componente contiene dos metales también presentes en el segundo óxido metálico de multi-componente y los índices x, x´, x", y, y´e y" satisfacen las

siguientes condiciones: (x1-x2) :x1:0, 1; (x´1- x´2) I:x´1:0, 1; (x"1- x"2) :x"1:0, 1; (y1-y2) :y1:0, 1; (y´1- y´2) :y´1:0, 1; (y"1y"2) :y"1:0, 1, en las que cada subíndice 1 se refiere al primer óxido de multi-componente y cada subíndice 2 se refiere al segundo óxido de multi-componente.

10. El método de la reivindicación 8, en el que el material de junta comprende un material seleccionado entre el grupo que consiste en óxido de magnesio, óxido de calcio, óxido de bario, óxido de estroncio, óxido de cobre y óxidos mixtos y sus mezclas.

11. El método de la reivindicación 9, en el que el primer y segundo óxidos metálicos de multi-componente están representados de forma independiente por medio de la fórmula general

en la que (x+x´) = 1; 0<y<1, 05; 0:y":1, 0 y 0, 95: (y+y") :1, 05, y al menos el óxido de metal está seleccionado entre el grupo que consiste en óxido de cobre, óxido de bario, óxido de calcio y óxidos mixtos y sus mezclas.

12. El método de la reivindicación 11, en el que al menos el óxido de metal es una mezcla u óxido mixto de óxido de calcio y óxido de cobre.

13. El método de la reivindicación 1, llevado a cabo sin presión aplicada.

14. El método de la reivindicación 1, en el que el calentamiento se lleva a cabo en aire.

15. El método de la reivindicación 1, en el que la estructura de material compuesto se encuentra libre de una fase intefacial.

16. El método de la reivindicación 1, en el que el material de junta además comprende al menos un aglutinante orgánico.

17. El método de la reivindicación 1, en el que las presiones de 0, 001 a 1 MPa se aplican en la junta.

18. Una estructura de material compuesto producida por medio del método de la reivindicación 1, comprendiendo dicha estructura de material compuesto:

un primer cuerpo sinterizado que comprende un primer óxido metálico de multi-componente que tiene una primera estructura de cristal seleccionada entre el grupo que consiste en una estructura perovsquítica y una estructura fluorítica; un segundo cuerpo sinterizado que comprende un segundo óxido metálico de multi-componente que tiene una segunda estructura de cristal idéntica a la de la primera estructura de cristal; y una junta entre el primer cuerpo sinterizado y el segundo cuerpo sinterizado que comprende al menos un óxido de metal, en el que al menos el óxido de metal:

(a) comprende (i) al menos un metal de un Grupo de la Tabla Periódica IUPAC idéntico al de al menos el metal de cuerpo sinterizado de uno del primer óxido metálico de multi-componente y el segundo óxido metálico de multi-componente y/o (ii) un metal de transición de la primera fila del Bloque-D no presente en el primer óxido metálico de multi-componente ni en el segundo óxido metálico de multi-componente y/o (ii) un lantánido no presente en el primer óxido metálico de multicomponente ni en el segundo óxido metálico de multi-componente;

(b) se encuentra libre de metales presentes en el primer óxido metálico de multi-componente y segundo óxido metálico de multi-componente;

(c) se encuentra libre de cationes de boro, carbono, silicio, germanio, estaño, plomo, arsénico, antimonio, fósforo y teluro; y

(d) presenta un punto de fusión por debajo de la primera temperatura de sinterización del primer cuerpo sinterizado y la segunda temperatura de sinterización del segundo cuerpo sinterizado.

19. La estructura de material compuesto de la reivindicación 18, en la que la primera y segunda estructuras de cristal consisten en un miembro seleccionado entre el grupo que consiste en fluorita, brownmillerita, fases de Aurivillius y perovsquita.

20. La estructura de material compuesto de la reivindicación 18, en la que el primer y segundo cuerpos son tubos y/o placas lisas y la junta es una junta de tubo-tubo, placa lisa-tubo o placa lisa-placa lisa.

21. La estructura de material compuesto de la reivindicación 18, en la que la estructura de material compuesto se encuentra libre de una fase interfacial.