受控微纳尺度多层膜焊料及其非均态自蔓延焊接研究

Focus on the mechanism of the controllable self-propagation reaction of the nano/micro size multilayers and study the theoretical base for the applications in joining ceramic and composite materials, manage to solve the problems in self-propagation reaction welding ceramic and composite materials, such as low stability of the joining quality, thermal mismatch, cracks and delaminations on the interfaces, settle the problem of introducing an active environment and layer disproportions factors to the kinetic theory of self-propagation joining by model a novel method; get optimized bonding processes for Al2O3 ceramic and aluminium based composites. To reach the aims the following contents will be studied in the proposal: (1) Nano/micro multilayer compositon design and fabrication process (2) The mechanism of controlling heat release in SHS under different energy trigger conditions (3) Process of joining ceramic and composite materials and interface analysis (4) Characterization of the fusion zone and evaluation of the reliability of the joints. Key tech. include: (1) Fabricaiton technology of nano/micro multilayers (2) Self-propagation reaction velocity and heat release controlling technology (3) Foundation of reaction kinetic for the Al2O3 ceramic material by SHS joining （4）SHS joining process (5) Models of the interface change and structural fatigue. These works will be helpful and meaningful for the application of nano/micro multilayers and self-propagating reaction welding in the manufacture of electronical components, militery facilties, aeronautics and astronautics parts.

针对受控微纳尺度多层膜自蔓延反应控制机理和其在陶瓷、复合材料焊接中的应用基础开展研究，解决自蔓延连接时工艺重现性低、界面热失配或热致裂纹、脱层等问题，在理论模型上解决非均态（结构因素致自蔓延反应波异动）自蔓延反应动力学中受激环境因素和膜层结构失配因素具体化引入的问题，得到焊接Al2O3陶瓷和Al基复合材料工艺。研究内容：（1）微纳多层材料成分和制备工艺研究（2）激发条件下非均态自蔓延工艺及热量控制机理研究（3）自蔓延焊接陶瓷、复合材料工艺和界面研究（4）焊接接头的表征与可靠性评价。关键技术：（1）微纳多层膜设计和制备技术（2）微纳多层膜非均态自蔓延反应速度和热量控制技术（3）陶瓷自蔓延连接反应动力学模型的建立（4）Al2O3陶瓷和复合材料连接技术（5）界面演化和结构疲劳模型的建立。这些工作对微纳多层膜自蔓延连接技术向电子信息、军工、航天、航空等尖端科技领域推广应用具有重要意义。

背景： 光电子制造、航空、航天部件、汽车零部件生产等重要应用领域，轻金属、新合金、陶瓷、复合材料等新材料大量应用，给焊接技术带来严峻挑战。项目研究微纳多层膜材直接或辅助形成对待焊材料连接中的理论原理、反应模型、异种材料连接工艺等科学问题. 主要研究内容：制备并表征AlNi及AlTi两种微纳多层膜，优化和稳定了制备工艺，开展了微纳多层膜反应控制和自蔓延燃烧机理研究，总结并得到非均态反应条件下影响反应速度和放热的规律。开展微纳多层膜自蔓延焊接工艺研究，探讨该连接方法可能存在的问题及原因，利用建立模型，在理论计算基础上探讨实现稳定焊接质量的先决条件；研究和优化氧化铝-铜焊接工艺，对焊接接头可靠性进行了评价。研究铜-金刚石、氧化铝-铜、铝基复合材料等微纳多层膜辅助钎焊及扩散焊焊接工艺，探讨得到微细界面接头，乃至无界面接头的机理，建模模拟陶瓷、金属和铜焊接接头形成过程中的热量分布、扩散过程和高质接头形成工艺条件。. 重要结果：开发的系列NiAl多层膜及TiAl多层膜材料，可用于陶瓷、铜、金刚石及SiC增强铝基复合材料的焊接。微纳多层膜的层间厚度及总厚度可以自主设计，但由于结构中不均匀性，需要对多层膜微观尺度与反应的关系模型进行修正，进而指导焊接。反应后陶瓷-铜接头及复合材料接头的界面微观形态、相的分布情况、元素和热量的扩散过程决定焊接质量。对Al2O3陶瓷及铜接头的微观组织演化、成分、剪切力学性能等关键指标研究表明，接头在温度冲击条件下具有可靠性。对金刚石与铜接头性能研究及热量分布模拟研究表明，接头区域的焊接完成时间在毫秒以内，反应热对母材影响较小。. 科学意义：研究了自制微纳多层膜自蔓延焊接在陶瓷、金属、复合材料连接中涉及的材料反应机理、结构、相演化、热分布、可靠性等问题，积累了基础科学数据，对技术推广应用具有指导意义。