石墨烯-泡沫铜中间层的制备及其钎焊机理研究

发布时间：2017-11-17 11:04

  本文关键词：石墨烯-泡沫铜中间层的制备及其钎焊机理研究

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【摘要】：陶瓷与金属钎焊时因为两侧母材巨大的性能差异而出现的过大残余应力是影响其接头性能的关键因素之一。目前,为了解决陶瓷-金属钎焊接头的高残余应力问题,主要通过优化钎焊中间层或利用增强体强化钎料性能等方法来实现陶瓷-金属的高质量连接。在众多的中间层材料中,泡沫金属因为其良好的变形能力和多孔特性逐渐成为研究的热点。但是值得注意的是,钎焊过程中熔融钎料会浸入到泡沫金属中间层的孔洞中并与其三维骨架发生相互的扩散和溶解从而导致中间层的坍塌,降低其缓解残余应力的效果。石墨烯作为一种新型的纳米材料,已在复合材料/钎料中得到广泛的研究和应用。其不但具有优秀的力学性能,还具有特殊的层片状结构。可以设想,如果结合泡沫金属疏松多孔和变形良好的优势以及石墨烯结构和性能的特点,制备出一种石墨烯-泡沫铜中间层,其缓解残余应力的能力势必大大提高。本文采用化学气相沉积法(CVD)原位制备石墨烯-泡沫铜中间层。研究表明石墨烯最佳生长工艺参数为沉积温度960℃、沉积时间10min、气体流量比CH4:H2/Ar(H2=17%,Ar=83%)=10:90。在此工艺参数下制备的石墨烯缺陷少、晶化程度高、结构完整性好。以泡沫铜为基体原位制备的石墨烯增强泡沫铜中间层。经测量及理论计算验证,石墨烯添加量可达1.8vol.%。DSC结果表明,在高温环境下石墨烯仍与泡沫铜基体结合良好,没有出现碳元素的溶解现象。以Ag-Cu-Ti为活性钎料钎焊一种典型陶瓷金属连接体系,即Al2O3陶瓷和Nb。在钎焊参数为880℃/10min下,以纯泡沫铜为中间层时钎焊接头的典型形貌是Al2O3/Ti-O+Ti-Cu+Ti-Al+Cu3Ti3O/Ag(s,s)+Cu(s,s)/Ti-Cu+(Ti,Nb)/Nb;而应用石墨烯-泡沫铜中间层后,原来焊缝中部的大块连续Cu(s,s)+Ag(s,s)变为了Ag-Cu共晶以及均匀分散的Cu(s,s),同时焊缝变宽。研究表明采用石墨烯强化的中间层时,随着焊接温度的提高和保温时间的延长,焊缝连续性越来越好,焊缝距离逐渐变窄,接头剪切强度都呈先升高再降低的趋势,其最高强度可达104.2MPa。石墨烯强化的中间层相较于原始的中间层来说接头抗剪强度明显提高,平均提高约35%。研究了泡沫铜做中间层在钎焊过程中的坍塌行为以及石墨烯的作用机制。结果显示,泡沫铜在钎焊过程中发生的坍塌现象源自自身软化及其与钎料相互扩散溶解。石墨烯强化后,由于其特殊结构所致的阻隔作用,会极大缓解钎料与中间层骨架之间的元素扩散及溶解,极大限度地保留了泡沫铜的三维结构,进而泡沫铜可充分发挥其三维骨架结构及自身变形能力等特点以缓解接头的残余应力,实现接头的高质量连接。分析了泡沫铜和石墨烯的强化机理。相对于铜箔中间层,泡沫铜的多孔三维结构可形成互锁型的接头,具有优异的调节接头区域的线膨胀系数能力;同时,对Al2O3与Nb钎焊连接所致应变能进行比较计算可知,选用石墨烯-泡沫铜中间层可显著地缓解接头的残余应力。此外基于复合材料增强理论分析,发现石墨烯自身优秀的机械性能对接头性能也起到了强化效果。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG454

【参考文献】

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本文编号：1195771