反应性纳米多层膜的制备表征及在连接中的应用研究

发布时间：2020-06-19 12:48

【摘要】：反应性纳米多层膜是一种新型的纳米含能材料,在较低的能量诱发下,可发生自蔓延反应,放热瞬间可获得1000-3000℃的高温,反应波传播速度高达100m/s,在真空或大气环境下可以实现微电子芯片、金属与非金属(陶瓷、碳泡沫等)以及金属与非晶合金等的钎焊和扩散焊连接,是材料微纳米连接领域的研究热点。以Ni/Al为代表的反应性纳米多层膜体系已广泛应用于互连焊接、3D叠层封装等领域,并在军工和航天航空领域具有广阔的应用前景。研究反应性纳米多层膜的材料组成、微观结构、热稳定性、放热反应的热力学特征以及在连接中的应用,对纳米材料制备、新型材料连接等领域具有较大的指导意义。本文对两种新型Ti/Ni和Ti/Si反应性纳米多层膜进行了磁控溅射制备和微观结构表征,分析了薄膜在低能量诱发条件下反应的放热过程、反应波传播速度和反应产物,并采用Ti/Ni纳米多层膜对钛合金进行了TLP真空扩散焊,系统研究了纳米多层膜成分和连接工艺对接头性能的影响。并采用Ti/Si纳米多层膜作为热源,探讨了其应用于自蔓延反应连接碳泡沫的潜力。研究结果表明:(1)Ti/Ni纳米多层膜截面钛镍层间结构清晰、调制结构周期性明显,不过在Ti和Ni界面层之间有一定的扩散现象。在大气下可以发生自蔓延反应,反应波传播速度为0.47m/s,反应后生成TiNi_3,TiO_2等产物。(2)Ti/Si纳米多层膜截面钛硅层间结构清晰、调制结构周期性明显,钛、硅原子比为5:3的薄膜放热量大于原子比为1:1的薄膜。大气下自支撑Ti/Si薄膜在不同基体上自蔓延反应的速率有所差异,在绝热棉上平均反应波传播速度高达9.6m/s,反应后生成Ti_5Si_4、Ti_5Si_3和TiO_2等产物。(3)Ti/Ni纳米多层膜TLP扩散焊Ti6Al4V钛合金的接头强度随连接温度升高而明显提高,并且Ti、Ni的原子比对接头强度有显著影响。连接温度为800℃,压力为5MPa时,接头强度较低,温度升高到875℃时,Ti、Ni原子比为1:1和1:2的薄膜的接头强度可达1000MPa。纳米多层膜的纳米尺寸效应成功的降低了薄膜的熔点,在较低温度(650℃)便可以形成瞬间液相,随着连接温度升高,薄膜中的Ni迅速向母材钛合金中扩散,保温过程中接头区域成分逐渐均匀化,气孔缺陷也逐渐减少。最后,在压力为5MPa,温度为900℃时,获得了强度较高的、无界面、无纳米多层膜中间层残留的焊接接头。(4)Ti/Si纳米多层膜具有钎焊碳泡沫的潜力,其作为局部热源熔化了部分SnAgCu软钎料,熔化的钎料进入碳泡沫的孔隙,有助于界面的润湿和冶金结合。分析认为由于制备的薄膜厚度较小且不均匀,放热量不足以全部熔化钎料,但Ti/Si纳米多层膜仍有应用于自蔓延辅助连接的前景。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TQ560.1
【图文】：

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北京工业大学工学硕士学位论文，具有应用于异种材料连接的巨大潜力。不同体系的反应性纳米多层膜的制备表征、燃烧特性。层膜概述以及制备方法前苏联学者 Vadchenko[14]首次观察到了镍和铝之间的自 90 年代，各国学者也竞相开始研究不同的薄膜体系，程进行了详细表征。反应性纳米多层膜是指有两种及-A-B 形式交叠形成的薄膜材料，其中每个材料薄层终形成的薄膜可以被引燃并发生自蔓延反应。薄膜示

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槽法电化学沉积在电解液中加入适当配比的多种金属离子，通过控制沉积过程中的电压或者电流，使镀层成分发生周期性变化，得到成分和结构周期性变化的薄膜异型结构件设备简单、容易操作、生产成本低，对衬底的面积和形状变化不敏感，都可以形成良好的外延层只能多层制备氮化属槽法电化学沉积周期性地将阴极材料置入含有A金属离子的电解槽和含B金属离子的电解槽，得到A金属层和B金属层交替分布的薄膜能在电极上沉积的材料纳米多层膜最常用的两种制备方法为磁控溅射法和机械轧制法是将两种不同的金属材料制成金属箔，将多层金属箔交替叠加后将次三明治结构放入轧机中进行轧制，经多次轧制直到每个均匀程度到达要求图 1-2 为轧制 Ni/Al 纳米多层膜的截面示意

【参考文献】