《強電場作用下陶瓷/金屬擴散連線界面反應及機理》是依託哈爾濱工業大學，由王清擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：強電場作用下陶瓷/金屬擴散連線界面反應及機理
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王清
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
陶瓷與金屬的擴散連線是一門涉及範圍廣，學科交叉性強的綜合性技術，擴散連線過程中的界面結構與性能是獲的質量良好的陶瓷與金屬擴散連線接頭的核心的問題。電場作為一種重要的物理場，對材料的組織結構、原子的擴散等，都有一定的影響。本項目嘗試將靜電場、脈衝電場和交變電場等強電場引入到陶瓷/金屬擴散連線過程中，系統研究強電場作用下的陶瓷/金屬擴散連線界面反應，套用材料學、電磁學和熱力學觀點分析強電場影響下在陶瓷/金屬擴散連線的物理化學本質及其特點；採用SEM、TEM、EDX , XRD等分析方法，系統研究陶瓷與中間層金屬在強電場作用下擴散連線形成的反應產物的結構、形態與分布特徵，確定界面結構與連線工藝參數的耦合關係；建立強電場作用下的陶瓷/金屬擴散連線界面反應模型。以期達到提高陶瓷/金屬擴散連線效率、最佳化擴散連線工藝、提高接頭質量之目的，其研究成果具有積極的理論意義、廣闊的套用背景和實用價值。
結題摘要
陶瓷/金屬複合構件的套用日益增多，擴散連線是較適宜的陶瓷/金屬連線方法。但該方法成本高效率低。電場對晶體材料的凝固、組織結構、時效析出、原子擴散等有顯著作用。將強電場引入陶瓷與金屬的擴散連線，為異種材料的高質量連線提供了新途徑。本項目採用Al2O3和SiC結構陶瓷，Ti為被連線金屬，分別在無外加電場、強靜電場、脈衝電場、交變電場條件下進行陶瓷/金屬擴散連線，研究了強電場作用下擴散連線工藝及參數最佳化，強電場作用下陶瓷/金屬擴散連線界面結構，強電場對擴散連線過程中界面原子擴散、界面反應的影響，強電場作用下陶瓷/金屬擴散連線機理。利用自行設計研製的一種新型強電場擴散連線設備，通過正交試驗獲得電場輔助SiC/Ti和Al2O3/Ti擴散連線最佳工藝參數。電場輔助擴散連線SiC/Ti構件剪下強度最高達77.93MPa；Al2O3/Ti為138.1MPa，比無電場作用時分別提高了約17%和90%。靜電場、交變電場、脈衝電場對原子擴散、界面反應均產生促進作用。靜電場對擴散連線界面原子擴散的影響存在極性效應。正向電場促進原子擴散，而反向電場抑制原子擴散。隨著外加電壓的增大，極性效應增強。電場可提高空位濃度和擴散遷移率，降低空位的擴散激活能，加速原子擴散，促進界面反應。電場和熱力場參數對界面結構、反應層厚度和連線構件的性能均產生影響，反應層厚度存在最佳值。SiC/Ti界面結構為SiC/TiC/(Ti5Si3(C)+TiC)/Ti；Al2O3/Ti界面結構為Al2O3/TiO2+TiAl3/TiO2+TiAl/Ti+Ti3Al/Ti，TiAl 和TiAl3均彌散分布在TiO2層和Ti中。熱力學分析證明界面結構試驗分析結果的正確性；動力學分析表明，電場作用下界面反應生長速率常數增大，界面反應表觀激活能降低，證實電場對界面反應及反應層生長具有促進作用。採用第一性原理研究了SiC/Ti和Al2O3/Ti擴散連線界面原子擴散行為與界面性質。計算得到以C和Si終止的SiC表面能分別為52.07V/nm2，和26.92eV/nm2，說明SiC表面C原子更易與其它元素髮生反應。本研究揭示了電場對陶瓷/金屬界面原子擴散、界面反應的影響規律和作用機理，具有積極的科學意義。施加強電場可提高擴散連線構件強度、降低溫度、縮短時間，從而提高連線質量和生產效率，因此電場輔助陶瓷/金屬擴散連線方法具有較大套用價值
