Cu/Nb互不固溶金属连接/复合方法及热力学机制的研究

摘要

基于 Cu/Nb金属体系的连接件和复合材料因其优异的性能，在核能、电子科技领域、航空航天领域和汽车领域等越来越受到研究者的青睐。但由于Cu/Nb是典型的互不固溶金属体系，呈正生成焓，二者在熔点、密度和晶体结构之间均存在巨大的差异，不能形成任何金属间化合物或过饱和固溶体，常规的工艺很难在Cu-Nb之间形成冶金结合界面，即很难实现Cu/Nb的高强度连接。
　　本文采用直接键合工艺，尤其在非真空低压条件且接触面较小的情况下，诱发了Cu/Nb之间的相互扩散，最终实现了棒状Cu/Nb的高强度连接，获得了力学性能良好的棒状Cu/Nb连接件；同时通过计算分析，确定了Cu/Nb体系扩散的热力学驱动力；本文还采用机械合金化法制备 Cu/Nb粉膜，具备良好的导电性，满足现代非脉冲磁场对材料的高要求。在上述工作基础上，主要的成果如下：
　　（1）本研究提供了一种非真空低压条件下实现棒状金属Cu/Nb高强度冶金结合的连接方法。通过对尺寸相同的棒状纯铜和棒状纯铌的表面进行严格处理，及准确控制键合压力和退火温度，成功实现了铜与铌两种金属的扩散连接。平均连接强度可达222 MPa，接近纯铜的抗拉强度。
　　（2）本文采用 Miedema理论模型和 Alonso计算理论，建立了棒状 Cu/Nb直接键合的热力学模型。通过该热力学模型并结合差示扫描热分析（DSC）测试，计算并确定了铜铌之间构建冶金结合界面的扩散热力学驱动力主要来源于铜棒和铌棒自身的储藏能。
　　（3）本研究通过机械合金化法，将微米级的不同比例的Cu/Nb粉末经过一段时间的球磨，实现纳米级的混合。通过准确控制键合压力、烧结温度和保温时间等，成功制备出导电性能良好的层状复合材料（其结构为Cu/CuNb粉膜/Cu），实现了互不固溶金属的复合。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 扩散焊接

1.3 半固态金属

1.4 机械合金化

1.5 Miedema理论模型

1.6 研究背景及意义、研究内容及创新点

第2章 直接键合法连接棒状Cu/Nb及显微机制研究

2.1 引言

2.2 实验原料及设备

2.3 棒状互不固溶金属Cu/Nb的连接

2.4 Cu/Nb连接件的显微结构表征

2.5 结果与讨论

2.6 低温长时间退火Cu/Nb连接件拉伸强度测试

2.7 本章小结

第3章 棒状Cu/Nb直接键合法连接的热力学机制研究

3.1 引言

3.2 Miedema理论模型和Alonso计算理论

3.3 棒状Cu/Nb储藏能的测量

3.4 直接键合法连接Cu/Nb热力学模型的计算

3.5 本章小结

第4章 机械合金化法制备Cu/Nb层状复合材料及显微机制的研究

4.1 引言

4.2 实验原料及设备

4.3 机械合金化法复合过程

4.4 TEM试样制备

4.5 材料表征方法

4.6 结果与讨论

4.7 本章小结

第5章 全文结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢