《鋁對氮化物、碳化物陶瓷的超潤濕機理及套用研究》是依託清華大學，由寧曉山擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鋁對氮化物、碳化物陶瓷的超潤濕機理及套用研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：寧曉山
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
陶瓷和鋁複合套用可以充分發揮它們獨特性能，滿足高端工程技術對材料的特殊要求。複合套用經常會涉及到鋁液和陶瓷的相互作用，因而表征相互作用的潤濕性受到了高度關注。另外，由於潤濕性能夠表征異相界面的微觀力學性能（界面能），因而也受到界面理論研究人員的重視。由於鋁極端容易氧化，表面形成的氧化膜阻礙潤濕，陶瓷和鋁的潤濕性研究困難。套用中存在著許多無法說明的超潤濕現象。本項目擬在前期對鋁和氧化鋁的超潤濕研究的基礎上，開展高端工程技術中大量使用的氮化鋁、氮化矽、碳化矽和鋁的超潤濕現象研究，通過對超潤濕樣品界面納米及原子（分子）尺度的結構及化學成分觀察分析以及數學模擬計算研究，闡明超潤濕產生機理，把握產生條件，並將其套用於建立和完善我們提出的陶瓷熱浸鍍鋁以及陶瓷和鋁的熱浸鍍-釺焊工藝。該研究有助於促進陶瓷和鋁的潤濕性以及陶瓷-金屬界面的理論研究，具有重大的學術意義。
結題摘要
將鋁與陶瓷連線可以綜合利用兩者的優良性能，開拓新的套用領域。然而，由於鋁極易氧化，且鋁對陶瓷材料的潤濕性普遍較差，鋁與陶瓷的連線非常困難。本課題組提出了一種陶瓷熱浸鍍鋁工藝，在氮氣氣氛保護下實現了新鮮鋁液與陶瓷表面的直接接觸，成功地在陶瓷表面鍍上了鋁膜。本項目對氮化鋁陶瓷和碳化矽單晶進行了熱浸鍍鋁實驗，探究了影響熱浸鍍的主要工藝因素和以及其機理。 實驗發現氮氣流量會影響氣氛中的氧含量，適中的氮氣流量會在氣氛中殘留適量的氧吸附在鋁液表面，降低表面張力，促進鍍膜形成。氮氣流量過高，鋁液膜容易團聚滑落；氮氣流量過低，則氧會沿著鋁液和陶瓷的界面擴散並吸附在鋁液表面，降低其活性，阻礙鍍膜。較高的實驗溫度、緩慢而均勻的推進速度有助於陶瓷和鋁液充分反應，促進鋁膜形成。 熱浸鍍需要液體完全潤濕被鍍物體。然而，文獻報導的鋁液跟陶瓷的接觸角遠遠大於零度。顯然，陶瓷熱浸鍍鋁過程中出現了超常潤濕。對Al(111)/AlN(0001)界面進行的第一性原理模擬計算表明，氮化鋁在富鋁缺氮環境中發生的表面AlLCM重構能夠顯著改善潤濕性，接觸角由重構前的61°~63°降低至35°~41°。已知鋁液表面吸附氧後表面張力可從1.092 J/m2降低至0.869 J/m2，而計算表明表面張力降低至1.02 J/m2後，接觸角就可降至0°。說明氮化鋁陶瓷浸入鋁液後的表面重構，以及鋁液膜表面吸附氧後的表面張力降低有可能是超常潤濕的產生原因。對4H-SiC單晶的熱浸鍍鋁實驗表明，採用該工藝可以很容易地在SiC單晶表面形成一層連線牢固的鋁膜。熱浸鍍過程中SiC與鋁液發生反應，形成Al4C3化合物，而矽終結面的反應速度比碳終結面更高。對Al(111)/4H-SiC(0001)界面的第一性原理計算顯示，反應會降低界面能，促進超常潤濕。
