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《大连理工大学》 2011年
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无铅钎料的液态结构及其物理性质的分子动力学计算

丁瑞芳  
【摘要】:随着限制铅使用的相关法律在世界各国和地区的相继出台,无铅钎料的研制与开发被提上了议事日程。Sn-Cu钎料因为价格便宜,性能优良,已经成为二元无铅钎料合金的重要代表。钎焊接头的质量在很大程度上取决于钎料,而钎料凝固前熔融态母体的结构及物性对凝固后的组织结构有很大的影响。因此,研究钎料在液态状态下的结构及其物理性质具有非常重要的意义。本文的研究大致分三个部分。 首先,分别对500个Sn原子和Cu原子分别用两种模型(紧束缚势TB和修正的嵌入原子势MEAM)计算了673K-1973K温度范围内两种纯金属的双体相关函数g(r)将计算结果与实验数据进行了对比分析,发现两种计算结果都反映了液态金属的结构及其随温度的变化情况:原子最近邻距离与实验结果相近;随着温度降低,双体相关函数第一峰变得尖锐,第二峰变得明朗。MEAM模型得到Sn的双体相关函数的第一峰右侧有个突起的肩膀,这一现象与实验结果相一致,而TB模型得到的双体分布函数肩膀不明显。所以,MEAM势对金属Sn液态结构的描述比TB模型更为准确一些。 其次,在纯Sn内添加Cu元素,考察元素添加对纯Sn液态结构及物性的影响,应用基于MEAM势的分子动力学研究了Sn-0.7wt.%Cu、Sn-1.5wt.%Cu、Sn-1.8wt.%Cu和Sn-2wt.%Cu四种液态钎料在503K-773K温度区间内的液态结构和粘度等性质的变化规律。发现Sn-0.7Cu钎料合金的液态结构在573K温度处有较大转变,而其他三种钎料合金的液态结构在603K时有较大转变。计算得到的粘度值随着温度的升高而下降,并且发现每条粘度-温度关系曲线都可划分为低温区和高温区,Sn-0.7Cu、Sn-1.5Cu、Sn-1.8Cu和Sn-2Cu四种钎料的低温区和高温区的温度范围分别为503-553K和573-773K、503-573K和603-773K、503-573K和603-773K。利用表面张力与粘度的关系式计算出Sn-0.7Cu和Sn-1.8Cu钎料在各个温度下的表面张力值,与实验结果比较接近,说明这种计算表面张力值的方法,对于简单的二元无铅钎料合金来说是适用的。对照粘度、表面张力和液态结构参数,发现粘度和表面张力的变化与液态结构的变化有直接的关联。 最后,利用从头算分子动力学研究了Cu6Sn5熔体随温度变化规律。由于从头算分子动力学具有计算精度高,且适用于小体系计算等特点,所以本章选用了从头算分子动力学方法。通过对模拟结果的分析,发现在低温时,利于形成Sn-Cu相关团簇,而高温时更倾向于Cu-Cu、Sn-Sn相关团簇的形成。在603K处团簇结构出现较大的转变,这与前面的液态结构参数的变化规律相同,钎料熔体中Cu6Sn5团簇的变化是钎料液态结构转变的主要原因。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG425

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【引证文献】
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