[01458181]超声波作用下液态活性钎料在碳材表面润湿行为及界面反应

1、课题来源与背景 本课题来源于国家自然科学基金项目：超声波作用下液态活性钎料在碳材表面润湿行为及界面反应,批准号：51465032。 碳素材料已成为全世界大规模开发应用的首选高性能材料,以泡沫石墨为代表的多孔炭材料,以其优良导热性能和吸波减震性能,在热量管理、吸波或电磁屏蔽材料等方面广泛应用。 液态金属在碳素材料表面的润湿在碳纤维材料、碳碳复合材料以及多孔炭材料等高性能碳材的制备和连接中起至关重要的作用。尤其是在先进碳材与金属的钎焊时,熔融钎料在碳素材料表面优良的润湿性是钎焊成功的先决条件。然而,通常情况下金属不能润湿碳材表面。国外学者在金属与碳材的润湿性研究领域做了大量工作,取得了重要的基础数据,很多成果已经应用到先进碳材的生产和加工种。而国内在这方面的研究还存在一定的差距。因此,有必要开展液态金属在碳素材料表面润湿、界面反应机理等方面的基础研究,取得突破与自主创新,促进先进碳材在工业上的应用。 2、研究目的及意义 面向金属与石墨焊接、铸造、复合材料的生产需求,在润湿性测试及界面反应研究的基础上,系统研究复杂的气氛对液态钎料在石墨表面润湿性的影响,探索超声波对钎料润湿性的影响,提出增进改善钎料润湿性的方法,指导工业上钎料的设计和钎焊工艺改进。 3、主要论点与论据 研究发现,不含活性元素的金属钎料可在超声波作用下声致铺展但不润湿石墨。 含有活性元素的钎料在超声波作用下不仅铺展且能润湿填充石墨。真空下Sn5Ag8Ti 钎料与石墨的接触角是 40°, 大气下施加声波作用后 Sn5Ag8Ti 钎料与石墨的接触角是 39°。大气下施加声波作用 Sn5Ag2Ti1Al 钎料与石墨接触角为14.5°。活性钎料之所以能润湿石墨,是因为活性元素 Ti 与石墨反应,在界面处生成 TiC 反应层。 TiC 层的出现改变了石墨表面的表面张力,使表面张力增大,促使液态钎料在石墨表面润湿。不论钎料是否含活性元素,在超声波作用下,液态钎料都能在石墨表面沿着声波传播方向上铺展, 铺展的驱动力是液态钎料两侧的声压差,铺展过程中在界面前沿还是伴有少量雾化现象。 在大气条件下,影响超声波在石墨表面润湿及铺展的关键因素是超声波振幅、加热温度、钎料成分以及石墨的孔隙率等因素。这其中活性钎料在大气条件下生成的氧化膜对润湿性的影响最大。 4、创见与创新 ①在真空条件下金属在石墨表面的接触角、粘附功、表面能的测试与计算已经有了大量的数据和计算结果,但在大气条件下的润湿性测试及计算尚鲜见前人研究。在已有的真空测试结果基础上,在超声波辅助情况下测试液态金属在石墨表面的润湿性,是对金属与石墨润湿性评定的新发展。 ②针对液态钎料与石墨润湿性的评价,提出采用分子动力学的方法,采用 LAMMPS软件包,对金属元素在石墨表面的扩散焊过程进行模拟。根据文献提供的金属势参数,建立模型,在原子尺度范围内计算元素扩散深度和不同位置上的浓度, 研究扩散机制和表面能。该研究方法目前鲜见报道。 ③把超声波对润湿性的影响归结到能量效应,提出超声波作为附加能,在液态钎料润湿铺展中起重要作用,形成超声波作用下的润湿理论,并对三相界面自由能平衡方程进行修改,提出包括超声附加能的新的平衡方程,是对润湿理论的补充和完善。 5、社会经济效益 本项目的研究结果解决了超声波活性钎焊技术中的重大基础问题：①大气条件下液态钎料在石墨表面的润湿性和影响因素;②超声波活性钎焊润湿理论。 项目获得研究成果 19 项,其中发表论文 15 篇,申请专利 4 项。在液态金属与石墨（金刚石）的润湿机机制的研究领域已经取得了一定成果, 修订了大气条件下超声波活性钎焊的理论基础,为提升我国金属/碳材的钎焊技术提供科学依据和理论指导。 6、历年获奖情况 无