固态复合铜铝板界面组织结构与性能关系模型的构建

铜铝复合板是一种良好的导热、导电复合材料。然而，固态复合的铜铝板在热处理过程中和在发热状态下长期使用时，界面元素互扩散形成界面层，并伴有金属间化合物的产生，这种界面层组织结构对复合板结合强度、力学性能、导热性、电学性能等将产生重要影响。鉴于此，本项目拟以导电用复合板为研究对象，通过实验和理论分析，构建热处理工艺、使用温度与时间、界面层组织结构及复合板性能之间关系模型，为复合板生产和使用提供理论指导。主要研究内容为：(1)实验研究界面层组织结构特点及与热处理工艺的关系，建立描述扩散与界面组织结构关系模型；(2)实验研究界面层组织结构与板材性能关系，建立理论描述模型；(3) 耦合扩散与界面组织结构关系模型和界面组织结构与板材性能关系模型，构建描述热处理工艺、使用温度和时间与界面组织结构、板材性能之间关系模型。依此解决复合板生产中的热处理工艺优化和使用过程中性能稳定性及寿命评价方法等问题。

本课题研究了热处理工艺对扩散层形成规律的影响，分析了扩散界面层形成的热力学和动力学，以及热处理工艺、复合界面组织结构、复合板性能之间的关系。热力学和动力学分析表明，铜铝互扩散时可以形成的五种金属间化合物，生成优先次序为：Al2Cu< AlCu < Al4Cu9 <Al9Cu11< Al2Cu3，其有效生成热分别为-6.66，-6.56，-6.31，-5.86和-5.33。热处理工艺对扩散层形成规律影响研究表明，复合界面处形成扩散界面层后，随着热处理时间的延续，界面扩散层由最初的单层逐渐生长为三层结构，每层结构组成不同，进一步延长热处理时间，界面层的层数不变，厚度略有增加。在铜铝复合界面扩散热处理条件下，形成的铜铝金属间化合物分别是Al2Cu、AlCu和Al4Cu9，其层结构为：铝侧为Al-Cu固溶体与 ( Al2Cu)相复合层，中间为(AlCu)相层，铜侧为Cu-Al固溶体与(Al4Cu9)相复合层，并确定了界面扩散层厚度与热处理工艺的关系。通过热力学分析和实验研究，建立了界面扩散的物理与数学模型，实现了分阶段扩散层成分、相组成和厚度的理论计算；采用最小熵产生原理、昂色格列倒易关系等线性不可逆过程热力学理论，确定了界面层初生相形核临界尺寸，计算出形核时的扩散层厚度，得到了三种金属间化合物Al2Cu、AlCu和Al4Cu9的互扩散系数D、扩散激活能Q和扩散常数D0，给出了扩散系数-厚度-温度-时间的函数关系，并通过实验进行了验证，证明了模型与实际的符合性。设计了一种测量铜铝复合界面剥离强度测量装置，研究了装置测量稳定性和相对误差，实现了复合层结合强度的有效测量。实验研究了复合界面结构对复合板界面结合强度、力学性能、导电率的影响，确定复合界面层组织结构—界面结合强度、复合板力学性能和导电性之间的关系，依此优化了扩散热处理工艺，并提出了较优的热处理工艺。实验研究了铜铝复合板热处理后在模拟实际工况条件下长期使用后界面复合层组织结构的变化，以及对板材性能的影响，表明在70C条件下，经过1000h后，板材的界面组织结构仍由三层结构组成，扩散层厚度未发生明显变化，板材的复合界面结合强度、力学性能、电学性能没发生明显变化，复合板材的性能基本未变，说明复合板材长期使用性能保持稳定。