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固体电解质陶瓷(玻璃)与金属的场致扩散连接结合机理研究

孟庆森  
【摘要】:本文通过对固体电解质陶瓷及玻璃与金属及金属复合基材料场致扩散连接的试验研究,采用SEM、TEM、EDX和XRD等手段分析了结合区的微观组织结构及过渡区的相结构;应用电化学、热力学和静电学的观点分析了结合过程的物理化学本质及其工艺特性。 研究认为,陶瓷(玻璃)/金属的场致扩散连接过程分为界面静电吸附、阳极氧化及固相扩散反应三个阶段。温度、电压及材料的离子导电率及其表面粗糙度是影响结合速率和质量的主要因素。结合区由陶瓷(玻璃)—过渡区—金属构成,过渡区及其与陶瓷和金属接合界面的相结构是影响接头强度的主要因素,平行于电场方向的柱晶组织有利于提高接头的抗剪强度。过渡区两侧的接合界面是陶瓷/金属接头的薄弱环节,界面的玻璃相强度限制了接头的强度。 非晶态SiO_2作为陶瓷的活化表面层可增强界面静电力和提高离子扩散及氧化反应速率,从而改善化学稳定性高的陶瓷材料与金属材料间的连接性。陶瓷颗粒增强的金属基复合材料与陶瓷(玻璃)间的连接在场致扩散连接条件下是可行的,结合界面产生的电化学反应和固相扩散反应克服了多类异种界面同时接合的问题,是适用于微电子制造的理想方法。提高增强相与金属界面的强度是提高结合质量的关键。 接头残余应力对连接质量有较大影响,材料的热膨胀系数差及刚度、连接温度是主要影响因素。分布于片状平面对接接头的陶瓷(玻璃)近界面区域的最大拉应力是接头产生热应力损伤的主要原因。


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