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Si_3N_4陶瓷二次PTLP连接过程与机理研究

作　者: 邹家生
导　师: 陈光
学　校: 南京理工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: Si3N4陶瓷 PLP连接 界面结构 连接强度 数值模拟
分类号: TQ174
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
下　载: 164次
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内容摘要


本文通过实验系统研究了Si3N4／Ti／Cu／Ti／Si3N4 PTLP（Partial Transient Liquid Phase）连接和Si3N4／Ti／Cu／Ni／Cu／Ti／Si3N4二次PTLP连接中间层厚度、工艺参数等对Si3N4陶瓷连接接头界面微观结构、反应层厚度、元素分布、室温强度的影响，探明了二次PTLP连接接头高温强度随温度变化的规律，并对PTLP连接过程动力学进行了研究，建立了Si3N4陶瓷PTLP连接数值模型和PTLP连接参数优化选择模型。论文主要结论如下： 采用Ti／Cu／Ti中间层对Si3N4陶瓷进行PTLP连接，界面微观结构为：Si3N4／TiN／Ti-Si化合物／Cu-Ti／Cu，随着Ti箔厚度的增加，反应层厚度增加，Cu-Ti层增宽；Ti箔厚度达到一定值后，随Ti箔厚度增加，TiN层增厚，同时Ti-Si化合物层亦逐步增厚。在相同连接参数下，Ti箔过薄不能形成连续的反应层导致连接强度极低；Ti箔过厚，则因脆性反应层增厚，使连接强度亦降低；采用Ti箔厚度为10μm、Cu箔厚度为250μm，在1050℃、保温3h的试验条件下获得Si3N／Ti／Cu／Ti／Si3N4连接接头室温四点弯曲强度为210Mpa。 Si3N4／Ti／Cu／Ti／Si3N4PTLP连接过程动力学研究表明：界面反应层的生长符合扩散控制的抛物线方程。1323K时，反应层生长因子为k1=9.234×10-8m／s1／2；在1283～1343K的温度范围内，反应层生长的激活能为87.2kJ／mol。等温凝固层厚度ξ和等温凝固时间t之间亦满足抛物线关系。在1323K时，等温凝固速率因子k2为1.5×10-7m／s1／2。PTLP连接时，反应层增长和等温凝固同时进行，通过改变时间和温度可以协调这两个动力学过程，使反应层达到最佳厚度ZC时，等温凝固刚好完成，以同时获得高的室温连接强度和高温连接强度。 采用Ti／Cu／Ni／Cu／Ti中间层对Si3N4陶瓷进行二次PTLP连接，界面微观结构为Si3N4／反应层／Cu-Ni固溶体层（少量的Cu-Ni-Ti）／Ni；Ti箔厚度对连接强度的影响是通过对反应层厚度的影响体现的；改变二次连接工艺参数对界面反应层厚度无明显影响，其对室温连接强度的影响是由于连接接头残余应力和界面结合强度的变化所导致的；接头高温强度在试验温度400℃时达到最大，随后随试验温度升高，高温强度降低，但在800℃前，其高温强度具有很好的稳定性。 建立了Si3N4陶瓷二次PTLP连接过程数学模型，阐述了利用该模型选择连接参数的方法。在一次PTLP连接后形成的等温凝固层与陶瓷不再发生明显反应时：对于特定的Si3N4陶瓷连接，在一定连接温度时，首先应根据实验结果和文献的数据确定最佳反应层厚度ZC；其次，根据ZC选择最佳活性金属箔厚度W0C；根据选定的W0C

全文目录


第一章 绪论  12-27
  1.1 选题背景和研究意义  12-13
  1.2 陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属连接技术研究现状及进展  13-16
  1.3 Si_3N_4陶瓷连接技术研究现状及进展  16-20
    1.3.1 活性金属钎焊法  16-18
    1.3.2 玻璃相连接剂连接  18
    1.3.3 扩散连接技术  18-19
    1.3.4 PTLP连接  19-20
  1.4 陶瓷扩散连接数值模拟研究进展  20-25
    1.4.1 元素扩散及反应层形成的数值模拟  20-22
    1.4.2 接头变形与应力行为的模拟  22-24
    1.4.3 TLP扩散连接数值模拟研究存在的问题  24-25
  1.5 本论文的研究内容和研究目标  25-27
第二章 试验材料和方法  27-32
  2.1 试验材料  27
  2.2 真空连接设备  27-28
  2.3 PTLP连接工艺  28-29
  2.4 微观分析  29
  2.5 接头强度检测和断口分析  29-32
第三章 PTLP连接界面结构及连接强度  32-41
  3.1 PTLP连接中间层选择的基本准则  32-34
  3.2 Ti箔厚度对 Si_3N_4PTLP连接的影响  34-37
    3.2.1 界面结构  34
    3.2.2 反应层厚度  34-35
    3.2.3 连接强度  35-37
  3.3 连接接头断裂分析  37-38
  3.4 Si_3N_4陶瓷PTLP连接过程分析  38-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章 PTLP连接动力学研究  41-51
  4.1 引言  41
  4.2 界面微观形貌和元素分析  41-45
  4.3 界面反应层生长动力学  45-47
  4.4 界面等温凝固动力学  47-48
  4.5 PTLP连接参数选择模型  48-50
  4.6 本章小结  50-51
第五章 二次 PTLP连接界面结构及强度  51-60
  5.1 二次PTLP连接Si_3N_4陶瓷中间层设计  51-52
  5.2 Ti箔厚度对连接强度的影响  52-53
  5.3 二次PTLP连接工艺对连接强度的影响  53-55
  5.4 高温连接强度随温度的变化规律  55-56
  5.5 界面微观结构  56-58
  5.6 界面结构形成机理和界面反应  58
  5.7 本章小结  58-60
第六章 Si_3N_4陶瓷二次 PTLP连接模型  60-68
  6.1 引言  60
  6.2 二次PTLP连接过程模型  60-65
  6.3 二次PTLP连接模型的应用  65-66
  6.4 本章小结  66-68
第七章 Si_3N_4陶瓷 PTLP连接的数值模拟  68-78
  7.1 引言  68
  7.2 界面元素分布  68-73
    7.2.1 陶瓷 PTLP连接元素扩散的特点  68-69
    7.2.2 扩散模型的建立  69-71
    7.2.3 计算与实验验证  71-73
  7.3 接头应力分布  73-76
    7.3.1 接头应力分析数学模型  74-76
    7.3.2 计算结果及分析  76
  7.4 本章小结  76-78
第八章 结论  78-80
致谢  80-81
参考文献  81-87
攻读博士学位期间发表论文  87

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业
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