单晶铜氧化行为的研究

摘要

随着热型连铸技术的成熟和单晶坯料拉制设备的不断改进，单晶铜已经走出实验室进入工业化大批量生产和应用阶段。单晶铜比多晶铜具有优异的导电、导热及良好的塑性变形能力，因而被广泛地应用于音视频导线和半导体器件封装用连接导线。然而，铜线容易氧化的性质影响了其品质和使用性能。
　　 本文针对单晶铜氧化问题，对其氧化热力学、氧化机理和氧化动力学进行了研究。其中，热力学的研究通过计算连续温度范围内，铜氧化吉布斯自由能变△G，熵变△S及氧化物分解压力并使用Matlab绘制相应的热力学曲线，进行分析研究；单晶铜氧化机理是通过比较单晶铜和多晶铜组织的差异，分析铜表面原子能量并结合EDS和氧化膜形貌观察进行分析研究；单晶铜氧化动力学研究则是在不同的气氛下，采用氧化增重实验，计算氧化增重率，绘制增重率-时间曲线进行研究。
　　 研究结果表明：在热力学上铜的氧化是自发反应且在室温下就具有被氧化的能力。随着温度的升高，虽然铜氧化的趋势会减小，但这与其反应速率增大的现象并不相矛盾且热力学上最容易生成也最稳定的氧化产物是Cu2O，但Cu2O却不是Cu高温氧化的最终产物。
　　 铜高温氧化时，表面能量较高的原子容易和氧气分子发生化学吸附反应，但刚开始并不会生成热力学上稳定的Cu2O，而是形成铜和氧的非晶组织，随着氧化进行，铜原子中的自由电子进一步向氧原子偏移逐渐形成疏松的Cu2O晶体颗粒。随着氧化继续进行Cu2O被逐渐氧化成CuO。在此过程中，Cu2O表面首先生成细条状的CuO晶体并不断变粗长大，最终形成致密的CuO膜。
　　 单晶铜氧化动力学表明，铜氧化在很大程度上依赖于温度和铜表面原子能量的大小。其中，铜表面原子能量越大氧化速率越大且其氧化速率大小顺序为：(100)晶面原子＞(110)晶面原子＞晶界原子＞(111)晶面原子。虽然铜的氧化速率还会受到温度、纯度的影响，但在较高温度时，纯度越高氧化速率越小。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1单晶铜的性能

1.1.1铜的性能及应用

1.1.2单晶铜及其性能

1.1.3单晶铜的应用

1.2铜氧化研究现状

1.3选题背景和意义

1.4研究内容

第2章 研究方案

2.1铜氧化理论研究

2.2铜氧化实验及样品制备

2.3分析方法

2.4本章小结

第3章 单晶铜氧化理论研究

3.1铜氧化热力学计算和分析

3.2铜氧化机理

3.3铜氧化微观过程和动力学规律的理论研究

3.4铜氧化膜研究

3.4.1铜氧化膜的生长机理

3.4.2铜氧化膜的完整性判断和其结合键特点

3.5铜表面研究

3.5.1铜表面能量对铜氧化影响的分析

3.5.2铜表面高能原子对铜氧化影响分析

3.5.3铜表面结构对铜氧化影响的分析

3.6铜与氧气反应宏观过程及其影响因素分析

3.6.1铜氧化反应宏观过程

3.6.2纯度对铜氧化性能的影响

3.6.3晶界对铜氧化性能的影响

3.7铜氧化膜的生长过程研究

3.8铜氧化膜形貌分析

3.9单晶铜抗氧化性能

3.10本章小结

第4章单晶铜氧化动力学研究

4.1氧化气氛对单晶铜氧化动力学的影响

4.1.1大气中单晶铜与多晶铜氧化动力学研究

4.1.2纯氧气氛下单晶铜与多晶铜氧化动力学研究

4.2温度、组织和纯度对单晶铜氧化动力学的影响

4.3晶粒大小对铜氧化动力学的影响

4.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文