铜表面微结构化对纯锡和镓铟共晶合金润湿性的影响
发布时间：2021-10-30 15:39
铜是人类使用最广泛的金属材料之一,在各类电子产品中铜也被大量使用,钎料在铜表面润湿性的优劣往往决定焊点质量。基板表面微观结构是影响润湿铺展过程的一个重要因素,根据毛细作用原理,基板表面的微槽结构具有促进钎料润湿铺展的潜在可能。而目前关于基板表面微观结构对润湿调控的研究主要集中在超疏水和超亲水表面的制备。而关于钎料在微结构化基板表面的润湿行为没有形成统一的润湿理论且存在争议:一方面认为基板表面的微槽结构能够提供额外的毛细作用力,促进钎料的润湿铺展,但也有人认为基板表面的微凸结构对三相线的移动起到钉扎作用,所以导致钎料在基板表面润湿角的增大。所以基板表面微观结构对润湿过程的影响机制还有待进一步探讨。基板表面微观结构在什么条件下能够促进润湿铺展?在什么情况下又能够阻碍润湿铺展?这将是本课题研究解决的主要问题。首先利用纳秒激光打标机在铜基板表面构造不同的表面形貌,结合座滴法研究了真空条件和实况条件下纯锡在微结构化铜基板表面的润湿行为,通过观察其界面微观结构揭示了润湿铺展机制。另外研究了镓铟共晶合金在微结构化铜基板表面的润湿行为。以下是通过研究得出的主要结论:（1）在温度为250℃,真空度为1×...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固体表面三种润湿状态
硕士学位论文31.2.1杨氏方程接触角（也称润湿角）是指在实际大气环境下，流动液体与固态基板表面所形成的夹角。接触角又分为动态接触角和平衡接触角，动态接触角是指液滴在润湿铺展的过程中瞬时的接触角；而平衡接触角是指液体在固态基板表面不再流动，在平衡条件下所得到的接触角。如图1.2所示，在理想条件下，润湿平衡的液体在光滑固体表面满足杨氏方程[19]，材料的表面张力与最终平衡接触角的大小具有直接关系。接触角与表面张力之间的杨氏方程为：=（1-1）其中、和分别为固/气、固/液和液/气之间的表面张力大小，θ为接触角，根据接触角的大小润湿性可分为下面几类：（1）完全润湿：液滴在固体基板完全铺展，此时的接触角减小至0°或者太小而无法测量，即θ=0°。（2）润湿状态：又称亲水状态，液体在固体基板表面经过一定的铺展过程，液体与基板表面之间形成小于90°，大于0°的接触角，即0°＜θ＜90°。当接触角小于5°时，称为超亲水状态。（3）临界状态：当接触角为90°时，称为润湿状态和非润湿状态的临界状态。（4）非润湿状态：又称疏水状态，是指液体与固态基板表面之间形成的接触角大于90°，但小于180°的一种润湿状态，即90°＜θ＜180°，当θ＞150°时成为超疏水状态。（5）完全不润湿状态：当接触角为180°时是一种理想的超疏水状态，但在实际中由于液滴自身重力的作用，理想的超疏水状态在实际中是不存在的。图1.2杨氏方程平衡示意图1.2.2Wenzel模型理想光滑的基板表面的最终接触角可以利用杨氏方程进行计算获得，但是在实际生产及应用中，基板并非是理想的光滑表面，实际的基板表面均具有一定的粗糙度，液滴在粗糙表面的润湿行为比在理想状态下更为复杂。1937年，美国科学家Wenzel?
状态时，表面粗糙度的增加有益于液体的进一步润湿铺展。（2）当θY＞90°时，cosθY＜0，即θ＞θY。即当液体在原始基板表面为非润湿状态时，表面粗糙度的增大不利于液滴的润湿铺展，从而导致较大的接触角。根据Wenzel模型，我们可以得到如果原始的基板材料是润湿的，则基板表面引入粗糙度后会促进润湿，从而得到超亲水表面。但是，如果液滴在原始基板表面为不润湿的状态，则粗糙度的引入会形成疏水表面，甚至达到超疏水状态。所以根据Wenzel理论模型可以构造出亲水和疏水的功能性基板表面，具有重要的应用前景。图1.3Wenzel理论模型示意图1.2.3Cassie模型随着技术发展和研究的不断进步，研究者发现在实验过程中并非所有在粗糙基板表面的润湿过程满足Wenzel理论模型。鉴于Wenzel理论模型的不足，1944年Cassie和Baxter在Wenzel理论模型的基础上对其进行补充修缮，得到Cassie理论模型[21]。如图1.4所示，Cassie理论模型认为液滴在粗糙基板表面的润湿过程并非只有Wenzel理论模型所描述的液滴会完全填充的情形，也有可能液滴悬浮在基板表面，液滴与微槽的底部形成空气薄膜。这时，液滴底部的接触形式分为两部分：一部分是液滴与基板原有结构接触，另一部分则是液滴与空气接触，像这种固-液-气组成的复合界面称之为Cassie界面。Cassie方程的表达式为：=11+22(1-3)上式中1、2为液滴与固态基板表面和空气接触面积的面积百分比，所以1+2=1，1、2为两种不同接触面的接触角，为液滴在粗糙基板表面的表观接触角。在模型计算中认为液滴与空气的接触角为180°，即2=180°，将2带入式1-3，可将Cassie方程进一步转化为下式：
【参考文献】：
期刊论文
[1]化学刻蚀对超疏水表面性能的影响研究[J]. 陈凯,王强,孙婷,游敏,夏祖西. 化工新型材料. 2018(06)
[2]粗糙度对金属/金属非反应性润湿体系润湿性能的影响[J]. 吴茂,常玲玲,何新波,曲选辉. 稀有金属材料与工程. 2017(05)
[3]静电纺丝法制备超疏水氟硅改性纳米SiO2/PET共混膜[J]. 李静,易玲敏,王明乾,周鸿. 高分子材料科学与工程. 2016(12)
[4]沟槽与方柱阵列结构的微铣削和加工表面疏水性[J]. 宋昊,刘战强,史振宇,蔡玉奎. 机械工程学报. 2016(21)
[5]粗糙度对金属/陶瓷反应润湿体系高温润湿性的影响[J]. 吴茂,常玲玲,路新,何新波,曲选辉. 材料热处理学报. 2016(07)
[6]AZ91D镁合金超疏水膜层的制备及其表征[J]. 张光明,郭洪暄,魏征,张庆洋,赵鑫,王成毓. 功能材料. 2015(S1)
[7]基于激光加工和自组装技术硅基底超疏水表面的制备[J]. 李杰,张会臣,连峰,庞连云. 功能材料. 2010(09)
[8]Effect of direct electric current on wetting behavior of molten Bi on Cu substrate[J]. 徐前刚,刘锡贝,张海峰. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2010(08)
[9]阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列的研究[J]. 宁成云,王玉强,郑华德,谭帼馨,邓春林,刘绪建. 化学研究与应用. 2010(01)
[10]二氧化钛纳米薄膜溶胶-凝胶法制备研究[J]. 陈丽娟,田进涛,刘学忠,尹衍生. 现代技术陶瓷. 2008(03)
博士论文
[1]静电纺丝法制备功能性超疏水材料[D]. 王帅.吉林大学 2013
硕士论文
[1]铜基仿生超疏水表面的制备方法及润湿性能研究[D]. 刘绍成.吉林大学 2018
[2]不锈钢表面微纳结构制备及其润湿性能研究[D]. 丁仁杰.电子科技大学 2018
[3]金属基润湿性可控仿生超疏水表面的制备与调控机制[D]. 姚文广.吉林大学 2017
[4]溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜[D]. 周英.电子科技大学 2005
本文编号：3466990
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固体表面三种润湿状态
硕士学位论文31.2.1杨氏方程接触角（也称润湿角）是指在实际大气环境下，流动液体与固态基板表面所形成的夹角。接触角又分为动态接触角和平衡接触角，动态接触角是指液滴在润湿铺展的过程中瞬时的接触角；而平衡接触角是指液体在固态基板表面不再流动，在平衡条件下所得到的接触角。如图1.2所示，在理想条件下，润湿平衡的液体在光滑固体表面满足杨氏方程[19]，材料的表面张力与最终平衡接触角的大小具有直接关系。接触角与表面张力之间的杨氏方程为：=（1-1）其中、和分别为固/气、固/液和液/气之间的表面张力大小，θ为接触角，根据接触角的大小润湿性可分为下面几类：（1）完全润湿：液滴在固体基板完全铺展，此时的接触角减小至0°或者太小而无法测量，即θ=0°。（2）润湿状态：又称亲水状态，液体在固体基板表面经过一定的铺展过程，液体与基板表面之间形成小于90°，大于0°的接触角，即0°＜θ＜90°。当接触角小于5°时，称为超亲水状态。（3）临界状态：当接触角为90°时，称为润湿状态和非润湿状态的临界状态。（4）非润湿状态：又称疏水状态，是指液体与固态基板表面之间形成的接触角大于90°，但小于180°的一种润湿状态，即90°＜θ＜180°，当θ＞150°时成为超疏水状态。（5）完全不润湿状态：当接触角为180°时是一种理想的超疏水状态，但在实际中由于液滴自身重力的作用，理想的超疏水状态在实际中是不存在的。图1.2杨氏方程平衡示意图1.2.2Wenzel模型理想光滑的基板表面的最终接触角可以利用杨氏方程进行计算获得，但是在实际生产及应用中，基板并非是理想的光滑表面，实际的基板表面均具有一定的粗糙度，液滴在粗糙表面的润湿行为比在理想状态下更为复杂。1937年，美国科学家Wenzel?
状态时，表面粗糙度的增加有益于液体的进一步润湿铺展。（2）当θY＞90°时，cosθY＜0，即θ＞θY。即当液体在原始基板表面为非润湿状态时，表面粗糙度的增大不利于液滴的润湿铺展，从而导致较大的接触角。根据Wenzel模型，我们可以得到如果原始的基板材料是润湿的，则基板表面引入粗糙度后会促进润湿，从而得到超亲水表面。但是，如果液滴在原始基板表面为不润湿的状态，则粗糙度的引入会形成疏水表面，甚至达到超疏水状态。所以根据Wenzel理论模型可以构造出亲水和疏水的功能性基板表面，具有重要的应用前景。图1.3Wenzel理论模型示意图1.2.3Cassie模型随着技术发展和研究的不断进步，研究者发现在实验过程中并非所有在粗糙基板表面的润湿过程满足Wenzel理论模型。鉴于Wenzel理论模型的不足，1944年Cassie和Baxter在Wenzel理论模型的基础上对其进行补充修缮，得到Cassie理论模型[21]。如图1.4所示，Cassie理论模型认为液滴在粗糙基板表面的润湿过程并非只有Wenzel理论模型所描述的液滴会完全填充的情形，也有可能液滴悬浮在基板表面，液滴与微槽的底部形成空气薄膜。这时，液滴底部的接触形式分为两部分：一部分是液滴与基板原有结构接触，另一部分则是液滴与空气接触，像这种固-液-气组成的复合界面称之为Cassie界面。Cassie方程的表达式为：=11+22(1-3)上式中1、2为液滴与固态基板表面和空气接触面积的面积百分比，所以1+2=1，1、2为两种不同接触面的接触角，为液滴在粗糙基板表面的表观接触角。在模型计算中认为液滴与空气的接触角为180°，即2=180°，将2带入式1-3，可将Cassie方程进一步转化为下式：
【参考文献】：
期刊论文
[1]化学刻蚀对超疏水表面性能的影响研究[J]. 陈凯,王强,孙婷,游敏,夏祖西. 化工新型材料. 2018(06)
[2]粗糙度对金属/金属非反应性润湿体系润湿性能的影响[J]. 吴茂,常玲玲,何新波,曲选辉. 稀有金属材料与工程. 2017(05)
[3]静电纺丝法制备超疏水氟硅改性纳米SiO2/PET共混膜[J]. 李静,易玲敏,王明乾,周鸿. 高分子材料科学与工程. 2016(12)
[4]沟槽与方柱阵列结构的微铣削和加工表面疏水性[J]. 宋昊,刘战强,史振宇,蔡玉奎. 机械工程学报. 2016(21)
[5]粗糙度对金属/陶瓷反应润湿体系高温润湿性的影响[J]. 吴茂,常玲玲,路新,何新波,曲选辉. 材料热处理学报. 2016(07)
[6]AZ91D镁合金超疏水膜层的制备及其表征[J]. 张光明,郭洪暄,魏征,张庆洋,赵鑫,王成毓. 功能材料. 2015(S1)
[7]基于激光加工和自组装技术硅基底超疏水表面的制备[J]. 李杰,张会臣,连峰,庞连云. 功能材料. 2010(09)
[8]Effect of direct electric current on wetting behavior of molten Bi on Cu substrate[J]. 徐前刚,刘锡贝,张海峰. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2010(08)
[9]阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列的研究[J]. 宁成云,王玉强,郑华德,谭帼馨,邓春林,刘绪建. 化学研究与应用. 2010(01)
[10]二氧化钛纳米薄膜溶胶-凝胶法制备研究[J]. 陈丽娟,田进涛,刘学忠,尹衍生. 现代技术陶瓷. 2008(03)
博士论文
[1]静电纺丝法制备功能性超疏水材料[D]. 王帅.吉林大学 2013
硕士论文
[1]铜基仿生超疏水表面的制备方法及润湿性能研究[D]. 刘绍成.吉林大学 2018
[2]不锈钢表面微纳结构制备及其润湿性能研究[D]. 丁仁杰.电子科技大学 2018
[3]金属基润湿性可控仿生超疏水表面的制备与调控机制[D]. 姚文广.吉林大学 2017
[4]溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜[D]. 周英.电子科技大学 2005
本文编号：3466990
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