本文關(guān)鍵詞： 陶瓷金屬化 透明陶瓷 閃爍陶瓷 閃爍陣列 閃爍器件　出處：《東北大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：本論文首先研究了陶瓷表面低成本快速激光掃描金屬化的新方法,可在室溫對(duì)陶瓷表面快速金屬化,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了陶瓷-金屬的牢固連接。另外,研究了利用激光加熱技術(shù)制備氧化釓(Gd2O3)、YAG:Ce及氧化鋁(Al2O3)透明陶瓷微球的方法,并對(duì)其組織和性能進(jìn)行了分析。在陶瓷金屬化研究中,本論文首先利用激光加熱法實(shí)現(xiàn)了Al2O3基板表面Cu金屬化。結(jié)果表明,Al2O3基金屬化樣品在激光加熱中經(jīng)歷了熔化,凝固等熱傳導(dǎo)過(guò)程。對(duì)這個(gè)熱傳導(dǎo)過(guò)程建立了數(shù)學(xué)模型以描述其溫度-深度曲線。發(fā)現(xiàn)樣品表層下不同深度具有不同的溫度,距離表層越深,溫度越低。本研究發(fā)現(xiàn),激光加熱過(guò)程中,Al2O3陶瓷在吸收激光能量后發(fā)生了熔化,并將熱量傳遞給Cu顆粒,使之熔化并呈球形。激光加熱結(jié)束后,Al2O3陶瓷和球形Cu顆�？焖倮鋮s到室溫,形成尺寸為30-50μm的小Cu球鑲嵌在致密氧化鋁表面的組織。同時(shí)發(fā)現(xiàn),金屬化的陶瓷表面還存在一層蒸發(fā)沉積產(chǎn)物,主要由CuAlO2組成,這是由于Cu和Al2O3在高溫下發(fā)生氣化、蒸發(fā)、沉積造成的。Al2O3/Cu界面分析表明,物質(zhì)的快速熔化形成了噴射,使直徑200 min的Cu顆粒被噴射到氧化鋁基體內(nèi)部,形成一個(gè)厚度大約4μm的噴射層。在此金屬化過(guò)程中,傳質(zhì)方式可以分為三種：較低溫度下,擴(kuò)散為主要的傳質(zhì)方式；中溫下,熔化噴射為主要傳質(zhì)方式；高溫下,蒸發(fā)沉積為主要傳質(zhì)方式。陶瓷金屬化的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楹附?為此本研究對(duì)此進(jìn)一步探討。本研究采用焊錫在300℃的較低溫度下將金屬化的Al2O3基板與金屬Cu板焊接在一起。對(duì)焊接界面進(jìn)行分析,結(jié)果表明不僅Cu微球與焊錫有緊密的連接,而且Cu球之間的區(qū)域也有緊密連接,這是因?yàn)閲娚涞腃u顆粒與焊錫有較好的潤(rùn)濕性,促進(jìn)了界面的結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了掃描次數(shù)、掃描速度、氧化程度以及第二相加入對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)和剪切斷裂強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明隨著激光掃描次數(shù)的增加,Cu球表面O元素含量逐漸增加,表面微裂紋的尺寸逐漸增加,而焊接界面剪切強(qiáng)度逐漸降低。隨著激光掃描速度的增加,樣品表面的覆蓋率(Cu球密度)逐漸降低,表面氧化程度逐漸降低,Cu球與陶瓷的結(jié)合力逐漸降低,焊接剪切強(qiáng)度先升高后降低,焊接界面最大剪切強(qiáng)度為26.1MPa。斷口主要包括三種斷裂特征：陶瓷內(nèi)部的斷裂、沿陶瓷與焊料界面的斷裂、沿陶瓷與Cu球界面的斷裂。真實(shí)樣品的斷口微觀形貌是這三種斷裂特征的混合體。隨著掃描速度的變化,這三種斷裂特征在樣品斷口中所占的比例不斷變化。Cu-Sn界面存在Cu6Sn5和Cu3Sn界面相。適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)有利于界面的結(jié)合。隨著表面金屬的氧化程度和第二相A1203加入量的增加,焊接斷裂強(qiáng)度逐漸降低。最后,對(duì)導(dǎo)熱性能的研究表明,焊接后的樣品導(dǎo)熱性能與A1203的導(dǎo)熱性能一致,說(shuō)明Al2O3/Cu界面具有緊密的結(jié)合。A1203基板是導(dǎo)熱的瓶頸,這是因?yàn)橄鄬?duì)于Cu板和焊錫,A1203具有較低的熱導(dǎo)率。與通常采用的導(dǎo)熱硅膠粘結(jié)的Al2O3-Cu板樣品相比,焊接樣品的熱導(dǎo)率為導(dǎo)熱硅膠粘接樣品的8倍。因此,激光加熱金屬化方法為陶瓷-金屬的焊接提供了一個(gè)方便、可靠的途徑。在透明陶瓷微球制備研究中,利用激光加熱法制備出Gd203透明陶瓷微球,微球尺寸為30-70μ.m。微觀組織分析表明,微球中晶界干凈,無(wú)第二相,晶粒大小均勻,晶粒尺寸約為5-10μm。透明Gd203微球?yàn)閱涡毕?由于降溫速度快,相變比例小,因此單斜相能夠被保存到室溫下。將透明Gd203微球與膠水混合干燥,制備了柔性透明陶瓷薄膜,并測(cè)量計(jì)算了其透過(guò)率約為44%。此薄膜由單層透明陶瓷微球排列而成,在閃爍器件中有潛在應(yīng)用前景。利用激光加熱法制備出YAG:Ce和A1203透明陶瓷微球,并對(duì)其宏觀形貌、微觀組織和相組成進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,并測(cè)量計(jì)算其透過(guò)率。兩種透明陶瓷微球尺寸約為30-60 μm。YAG:Ce微球晶粒的平均尺寸約為2.5μm,為單相YAG結(jié)構(gòu),經(jīng)1200℃熱處理可改進(jìn)其結(jié)晶性和熒光性能。選擇470 nm作為激發(fā)波長(zhǎng),透明陶瓷微球的最大發(fā)射峰在535 nm,發(fā)射出YAG:Ce3+熒光粉的特征黃光。對(duì)樣品經(jīng)過(guò)1200℃的熱處理,其晶化程度增加,從而增加了其發(fā)光強(qiáng)度。當(dāng)Ce3+離子摻雜濃度增加到一定程度時(shí),會(huì)發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象,最強(qiáng)熒光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的Ce3+摻雜濃度為2%。制備了YAG:Ce和A1203的柔性透明陶瓷薄膜,并測(cè)量計(jì)算了其透過(guò)率分別為19%和31%。
[Abstract]:This paper first studies the new method of low - cost rapid laser scanning metalization on ceramic surface , which can quickly metallize the ceramic surface at room temperature . The results show that the Al _ 2O _ 3 ceramic is melted and solidified by laser heating . In the preparation of transparent ceramic microspheres , the thermal conductivity of transparent Gd203 ceramic microspheres is about 5 - 10 渭m . The results show that the thermal conductivity of the samples is about 5 - 10 渭m . The transparent ceramic films of Ce and A1203 were measured and their transmittance was calculated to be 19 % and 31 % , respectively .

【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：R783.1
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本文編號(hào)：1512652