發(fā)布時間：2017-11-17 11:04

  本文關(guān)鍵詞：石墨烯-泡沫銅中間層的制備及其釬焊機理研究

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【摘要】：陶瓷與金屬釬焊時因為兩側(cè)母材巨大的性能差異而出現(xiàn)的過大殘余應(yīng)力是影響其接頭性能的關(guān)鍵因素之一。目前,為了解決陶瓷-金屬釬焊接頭的高殘余應(yīng)力問題,主要通過優(yōu)化釬焊中間層或利用增強體強化釬料性能等方法來實現(xiàn)陶瓷-金屬的高質(zhì)量連接。在眾多的中間層材料中,泡沫金屬因為其良好的變形能力和多孔特性逐漸成為研究的熱點。但是值得注意的是,釬焊過程中熔融釬料會浸入到泡沫金屬中間層的孔洞中并與其三維骨架發(fā)生相互的擴散和溶解從而導(dǎo)致中間層的坍塌,降低其緩解殘余應(yīng)力的效果。石墨烯作為一種新型的納米材料,已在復(fù)合材料/釬料中得到廣泛的研究和應(yīng)用。其不但具有優(yōu)秀的力學(xué)性能,還具有特殊的層片狀結(jié)構(gòu)�？梢栽O(shè)想,如果結(jié)合泡沫金屬疏松多孔和變形良好的優(yōu)勢以及石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的特點,制備出一種石墨烯-泡沫銅中間層,其緩解殘余應(yīng)力的能力勢必大大提高。本文采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)原位制備石墨烯-泡沫銅中間層。研究表明石墨烯最佳生長工藝參數(shù)為沉積溫度960℃、沉積時間10min、氣體流量比CH4:H2/Ar(H2=17%,Ar=83%)=10:90。在此工藝參數(shù)下制備的石墨烯缺陷少、晶化程度高、結(jié)構(gòu)完整性好。以泡沫銅為基體原位制備的石墨烯增強泡沫銅中間層。經(jīng)測量及理論計算驗證,石墨烯添加量可達1.8vol.%。DSC結(jié)果表明,在高溫環(huán)境下石墨烯仍與泡沫銅基體結(jié)合良好,沒有出現(xiàn)碳元素的溶解現(xiàn)象。以Ag-Cu-Ti為活性釬料釬焊一種典型陶瓷金屬連接體系,即Al2O3陶瓷和Nb。在釬焊參數(shù)為880℃/10min下,以純泡沫銅為中間層時釬焊接頭的典型形貌是Al2O3/Ti-O+Ti-Cu+Ti-Al+Cu3Ti3O/Ag(s,s)+Cu(s,s)/Ti-Cu+(Ti,Nb)/Nb;而應(yīng)用石墨烯-泡沫銅中間層后,原來焊縫中部的大塊連續(xù)Cu(s,s)+Ag(s,s)變?yōu)榱薃g-Cu共晶以及均勻分散的Cu(s,s),同時焊縫變寬。研究表明采用石墨烯強化的中間層時,隨著焊接溫度的提高和保溫時間的延長,焊縫連續(xù)性越來越好,焊縫距離逐漸變窄,接頭剪切強度都呈先升高再降低的趨勢,其最高強度可達104.2MPa。石墨烯強化的中間層相較于原始的中間層來說接頭抗剪強度明顯提高,平均提高約35%。研究了泡沫銅做中間層在釬焊過程中的坍塌行為以及石墨烯的作用機制。結(jié)果顯示,泡沫銅在釬焊過程中發(fā)生的坍塌現(xiàn)象源自自身軟化及其與釬料相互擴散溶解。石墨烯強化后,由于其特殊結(jié)構(gòu)所致的阻隔作用,會極大緩解釬料與中間層骨架之間的元素擴散及溶解,極大限度地保留了泡沫銅的三維結(jié)構(gòu),進而泡沫銅可充分發(fā)揮其三維骨架結(jié)構(gòu)及自身變形能力等特點以緩解接頭的殘余應(yīng)力,實現(xiàn)接頭的高質(zhì)量連接。分析了泡沫銅和石墨烯的強化機理。相對于銅箔中間層,泡沫銅的多孔三維結(jié)構(gòu)可形成互鎖型的接頭,具有優(yōu)異的調(diào)節(jié)接頭區(qū)域的線膨脹系數(shù)能力;同時,對Al2O3與Nb釬焊連接所致應(yīng)變能進行比較計算可知,選用石墨烯-泡沫銅中間層可顯著地緩解接頭的殘余應(yīng)力。此外基于復(fù)合材料增強理論分析,發(fā)現(xiàn)石墨烯自身優(yōu)秀的機械性能對接頭性能也起到了強化效果。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG454

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

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本文編號：1195771