微电流作用下金属与氧化锆的界面润湿及连接

发布时间：2017-12-06 13:35

  本文关键词：微电流作用下金属与氧化锆的界面润湿及连接

  更多相关文章： ZrO_2陶瓷 直流电 润湿 微观结构 钎焊 剪切强度

【摘要】：氧化锆陶瓷(ZrO_2)以其高硬度、低导热、高抗热冲击性和高温离子导电等特性,在传感器、电子封装、燃料电池等领域有广泛的应用。在应用中经常涉及到金属与氧化锆陶瓷的连接,两者之间的润湿是实现连接的前提。然而,氧化锆陶瓷与金属之间的物理化学性质差异极大,润湿往往非常困难。改善润湿性的传统方法包括向金属中添加活性元素和在氧化锆表面镀可润湿的金属层,但是这两种方法并不是在任何条件下都可行。因此,采用更可行、更有效的方法提高金属与氧化锆之间的润湿性是研究者们不断努力的目标。本文充分利用了氧化锆陶瓷的高温氧离子导电特性,创新性的应用电流耦合座滴装置,采用施加电流的方法实现了不含活性元素的金属(Al、Sn Ag Cu和Ag Cu)与氧化锆陶瓷之间的润湿和连接。通过研究工艺参数、微观结构及力学性能建立起三者之间的内在联系。本文获得的主要研究成果如下:(1)发现了施加反向电流(即电流从ZrO_2流向金属)能够显著促进金属(Al、Sn Ag Cu、Ag Cu)在ZrO_2上的润湿,揭示出电流作用下ZrO_2陶瓷发生电化学还原生成非计量比氧化锆ZrO_2-x和界面上形成Zr原子是促进润湿的主要机制。(2)阐明了施加反向电流能够促进固-液界面上含Zr金属间化合物的形成,并能够通过控制工艺参数控制其厚度。适当厚度的金属间化合物能够极大提高金属 ZrO_2陶瓷界面结合强度,从而提高钎焊接头的性能。但界面上金属间化合物的形成对润湿的改善作用有限。(3)揭示出电流极性、温度、电流强度和Zr O_2基板性质对Al/ZrO_2体系润湿的影响规律。施加正向电流(电流从金属流向ZrO_2)导致Al熔体氧化使体系不润湿。施加反向电流极大促进润湿。电流强度增加使非计量比氧化锆ZrO_2-x的形成速度加快,导致体系快速润湿。温度和ZrO_2基板稳定剂含量及种类会影响ZrO_2陶瓷自放氧量,放氧量增加时,Al的氧化膜增厚,增加了电流破除的难度,使体系润湿速率降低。(4)Al/Zr O_2润湿样品的界面结合强度受电流强度、通电时长、温度及ZrO_2基板稳定剂含量和种类的影响,界面上ZrAl3金属间化合物的厚度制约着界面连接强度。(5)以Sn Ag Cu/ZrO_2为例,揭示出电流作用下合金与ZrO_2的润湿规律及在连接Ni ZrO_2中的作用机制。ZrO_2陶瓷低温导电性较差,电流作用下非计量比氧化锆Zr O_2-x的生成速率决定了合金在ZrO_2陶瓷上的铺展速率,因此提高电流强度和升高温度都能够促进体系润湿。施加反向电流,应用Sn Ag Cu钎料能够实现金属Ni与ZrO_2的钎接。钎缝中形成的Zr Sn Ni相是提高接头剪切强度的关键。(6)以Ag Cu/ZrO_2为例,揭示出电流作用下不易氧化的合金与ZrO_2的润湿规律及在连接304 S S与ZrO_2时的作用机制。施加正反两向电流都能够促进体系润湿,施加正向电流使O在界面富集,降低了界面能从而促进体系润湿,但界面上氧过多会导致合金与氧化锆陶瓷无法实现连接。施加反向电流,应用Ag Cu钎料能够实现304 S S与ZrO_2陶瓷的钎接。钎缝中形成的AgCu4Zr相提高了接头剪切强度。电流增大时,应用72Ag 28Cu钎料,接头断口均在Ag富集层;应用60Cu 40Ag钎料时,接头断口在304 S S一侧。综上,本研究提出了一种实现金属与ZrO_2陶瓷润湿及连接的新方法,揭示出润湿调控机理、界面演变规律以及工艺因素 界面结构 接头性能之间的内在联系。研究结果不仅有助于丰富电流作用下界面润湿理论,而且可以为通电条件下材料服役行为的控制提供重要指导和参考。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG454;TQ174.6

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 温树林;固体界面结构研究的一些新进展[J];无机材料学报;1991年04期

2 李斗星;平德海;宁小光;叶恒强;;界面精细结构与界面反应产物结构[J];金属学报;1992年07期

3 王永康;程祥宇;李炳生;夏立芳;雷廷权;;(Ti,Al)N/W_6Mo_5Cr_4V_2膜基界面结构的电镜研究[J];科技通报;1993年06期

4 凌志达,吕忆农;大坝混凝土的水泥石-石英集料界面结构研究[J];硅酸盐学报;1990年02期

5 高自立;孙思修;沈静兰;;强搅拌体系萃取动力学研究的新进展[J];化学通报;1991年04期

6 刘韩星，袁润章;金属－陶瓷界面结构的研究[J];化学通报;1994年06期

7 崔树范,于文学,徐明,吴兰生,麦振洪,赵彤,陈凡,吕惠宾,陈正豪,贾全杰,郑文莉,姜晓明;BaTiO_3/SrTiO_3超晶格界面结构与光电性能关系研究[J];人工晶体学报;2000年S1期

8 邓忠民,郑福前,文飞,谢明,刘建良,吕贤勇;银铝锗对硅功率器件中硅和钼连接界面结构的影响[J];功能材料与器件学报;1997年03期

9 张建军;刘文安;;用铁粉坯连接碳化硅陶瓷界面的微观结构[J];机械工程材料;2007年04期

10 赵维维;傅仁利;顾席光;王旭;方军;;聚合物基复合材料的界面结构与导热性能[J];材料导报;2013年05期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 高丽;;多媒体界面结构设计研究[A];中国图象图形学会第十届全国图像图形学术会议（CIG’2001）和第一届全国虚拟现实技术研讨会（CVR’2001）论文集[C];2001年

2 黄孝瑛;李欣;孙玉文;芦庆新;;电子衍衬方法研究界面及其处理[A];第五次全国电子显微学会议论文摘要集[C];1988年

3 冯雪飞;鞠焕鑫;叶逸凡;朱俊发;;基于有机电子和光电器件界面结构的原位同步辐射研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第01分会：表面物理化学[C];2014年

4 王树涛;;细胞粘附可控界面[A];2013年全国高分子学术论文报告会论文摘要集——主题F：功能高分子[C];2013年

5 汪在芹;王燕;林洁;;丹江口大坝混凝土水泥石—集料界面结构研究[A];第五届全国结构工程学术会议论文集（第三卷）[C];1996年

6 顾军;;纳米界面结构技术在提升纺织面料功能的应用和实践[A];第三届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2003年

7 陈东;马秀良;;TiN/MgO(001)界面结构研究[A];第十三届全国电子显微学会议论文集[C];2004年

8 朱健;;界面薄膜的制备技术[A];第三次中国电子显微学会议论文摘要集（二）[C];1983年

9 张贞;L.Piatkowski;E.H.G.Backus;H.Bakker;M.Bonn;;水溶液界面上的卤族阴离子[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第39分会：化学动力学[C];2014年

10 胡良全;张炜;卢嘉德;;纳米碳增强碳/酚醛材料的界面结构分析[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前3条

1 江雷;二元协同纳米界面材料[N];科技日报;2000年

2 李薇;奇异的二元协同纳米界面材料[N];光明日报;2000年

3 本报记者 陆蔚榕;纳米时代离我们越来越近[N];中国纺织报;2000年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 李文波;SiC/SiO_2界面形成机理及界面缺陷的第一性原理研究[D];大连理工大学;2015年

2 祝远民;自组装异质外延薄膜的界面及生长机制原子尺度研究[D];北京科技大学;2016年

3 刘东静;LED关键界面结构热特性及可靠性研究[D];江苏大学;2015年

4 于玉城;Al_(18)B_4O_(33)w增强Al-Mg及Al-Cu基复合材料的界面调控及力学行为[D];哈尔滨工业大学;2016年

5 杨男男;微电流作用下金属与氧化锆的界面润湿及连接[D];吉林大学;2017年

6 张立强;微电子器件界面结构传热与力学行为多尺度研究[D];江苏大学;2012年

7 孙鹏;电子封装中无铅焊点的界面演化和可靠性研究[D];上海大学;2008年

8 李进春;金属/过渡金属碳化物界面势的反演及界面稳定性的理论研究[D];北京科技大学;2015年

9 赵寒月;金属/SiC界面势反演和应用[D];清华大学;2009年

10 徐根;油田钻探用PDC热残余应力及界面结构优化研究[D];中南大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李瑞;Ni-Al_2O_3界面相互作用的第一性原理研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 李珊珊;国产高模量纤维M40/Al复合材料组织及性能的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 赵悦;铝合金与钢CMT熔钎焊技术研究[D];江苏科技大学;2015年

4 李霜;多次回流钎焊界面Cu_6Sn_5生长演变及影响因素[D];大连理工大学;2015年

5 汪群;超声耦合作用下C/Al界面的润湿与反应行为研究[D];东北大学;2013年

6 朱玉婷;多点触控手势在复杂系统数字界面中的应用研究[D];东南大学;2015年

7 叶子戎;交互界面中的图标设计研究[D];南京艺术学院;2015年

8 崇书庆;可用性在家用康复护理床界面设计中的应用研究[D];浙江理工大学;2016年

9 刘双;（Mn_xS_y）热力学和钢中α-Al_2O_3-MnS夹杂的界面结构[D];辽宁科技大学;2016年

10 陈巧玲;cBN/hBN界面性质第一原理研究[D];山东大学;2016年

，

本文编号：1258793