强电场作用下陶瓷/金属扩散连接界面反应及机理

陶瓷与金属的扩散连接是一门涉及范围广，学科交叉性强的综合性技术，扩散连接过程中的界面结构与性能是获的质量良好的陶瓷与金属扩散连接接头的核心的问题。电场作为一种重要的物理场，对材料的组织结构、原子的扩散等，都有一定的影响。本项目尝试将静电场、脉冲电场和交变电场等强电场引入到陶瓷/金属扩散连接过程中，系统研究强电场作用下的陶瓷/金属扩散连接界面反应，应用材料学、电磁学和热力学观点分析强电场影响下在陶瓷/金属扩散连接的物理化学本质及其特点；采用SEM、TEM、EDX , XRD等分析方法，系统研究陶瓷与中间层金属在强电场作用下扩散连接形成的反应产物的结构、形态与分布特征，确定界面结构与连接工艺参数的耦合关系；建立强电场作用下的陶瓷/金属扩散连接界面反应模型。以期达到提高陶瓷/金属扩散连接效率、优化扩散连接工艺、提高接头质量之目的，其研究成果具有积极的理论意义、广阔的应用背景和实用价值。

陶瓷/金属复合构件的应用日益增多，扩散连接是较适宜的陶瓷/金属连接方法。但该方法成本高效率低。电场对晶体材料的凝固、组织结构、时效析出、原子扩散等有显著作用。将强电场引入陶瓷与金属的扩散连接，为异种材料的高质量连接提供了新途径。本项目采用Al2O3和SiC结构陶瓷，Ti为被连接金属，分别在无外加电场、强静电场、脉冲电场、交变电场条件下进行陶瓷/金属扩散连接，研究了强电场作用下扩散连接工艺及参数优化，强电场作用下陶瓷/金属扩散连接界面结构，强电场对扩散连接过程中界面原子扩散、界面反应的影响，强电场作用下陶瓷/金属扩散连接机理。利用自行设计研制的一种新型强电场扩散连接设备，通过正交试验获得电场辅助SiC/Ti和Al2O3/Ti扩散连接最佳工艺参数。电场辅助扩散连接SiC/Ti构件剪切强度最高达77.93MPa；Al2O3/Ti为138.1MPa，比无电场作用时分别提高了约17%和90%。静电场、交变电场、脉冲电场对原子扩散、界面反应均产生促进作用。静电场对扩散连接界面原子扩散的影响存在极性效应。正向电场促进原子扩散，而反向电场抑制原子扩散。随着外加电压的增大，极性效应增强。电场可提高空位浓度和扩散迁移率，降低空位的扩散激活能，加速原子扩散，促进界面反应。电场和热力场参数对界面结构、反应层厚度和连接构件的性能均产生影响，反应层厚度存在最佳值。SiC/Ti界面结构为SiC/TiC/(Ti5Si3(C)+TiC)/Ti；Al2O3/Ti界面结构为Al2O3/TiO2+TiAl3/TiO2+TiAl/Ti+Ti3Al/Ti，TiAl 和TiAl3均弥散分布在TiO2层和Ti中。热力学分析证明界面结构试验分析结果的正确性；动力学分析表明，电场作用下界面反应生长速率常数增大，界面反应表观激活能降低，证实电场对界面反应及反应层生长具有促进作用。采用第一性原理研究了SiC/Ti和Al2O3/Ti扩散连接界面原子扩散行为与界面性质。计算得到以C和Si终止的SiC表面能分别为52.07V/nm2，和26.92eV/nm2，说明SiC表面C原子更易与其它元素发生反应。本研究揭示了电场对陶瓷/金属界面原子扩散、界面反应的影响规律和作用机理，具有积极的科学意义。施加强电场可提高扩散连接构件强度、降低温度、缩短时间，从而提高连接质量和生产效率，因此电场辅助陶瓷/金属扩散连接方法具有较大应用价值