SiC陶瓷與Al基和Sn基釬料釬焊界面結合特性的模擬計算.pdf

1、碳化硅陶瓷廣泛應用于太空反射鏡鏡片，大尺寸碳化硅陶瓷復雜構件連接時存在殘余應力問題。降低釬焊連接溫度可在一定程度上緩解陶瓷釬焊件接頭殘余應力。Sn基釬料是目前較常用的低溫釬料，而低熔點的純Sn對于SiC而言是非活性釬料，本文考慮向Sn中摻雜入活性元素Al，探究其在低溫下能否實現(xiàn)對SiC陶瓷的連接、界面結合特性及Al元素在界面中的作用。
　　本文主要運用第一性原理研究SiC與金屬釬料的界面結合。首先，探究Al基釬料與SiC界面的結合

2、，在此基礎上模擬計算Sn基釬料與SiC陶瓷界面結合，討論Al元素的活化作用。最后，結合模擬計算的結果設計試驗，實現(xiàn)SiC陶瓷的低溫釬焊，并驗證理論計算的可靠性，結果如下：
　　Al/SiC界面的計算結果表明：頂位堆垛界面具有最大的分離功，是最穩(wěn)定的界面構型；Al/SiC界面的結合是主要是界面上Al-C原子間的鍵合作用，Al-C原子間形成離子共價鍵，且分析知Al/SiC界面上會形成新的界面相Al4C3。
　　Al-12Si/S

3、iC界面的計算結果表明：頂位堆垛界面具有最大的分離功，最小的界面間距，是最穩(wěn)定的構型。界面的結合主要是Al-C離子共價鍵和Si-C共價離子鍵的作用，界面上Al原子活性被抑制，Si原子的活性增加，Al-C原子間仍成鍵，但不致形成化合物Al4C3，Si-C鍵在該界面成鍵中處于優(yōu)先和主要地位。
　　Sn/SiC界面計算結果表明：C封端及Si封端界面，頂位界面均具有最大的分離功，是熱力學上最穩(wěn)定構型，C封端界面的分離功較相應堆垛方式下的S

4、i封端界面的高。Sn/SiC界面的結合主要是界面上Sn-C原子間的相互作用，界面上Sn-C原子間形成的離子共價鍵在Sn/SiC界面結合成鍵中占主要地位。
　　Sn-1.0Al/SiC界面計算結果表明：C終止面界面的分離功為-4.40J/m2，Si終止面界面的分離功為-3.30J/m2，兩者較相應純Sn/SiC界面的分離功均有所增加，Al元素是可以考慮的強化元素。界面的結合主要是主要是界面上C原子與Al原子間形成離子共價鍵(離子性較

5、微弱)，鍵長為2.02。界面上C與Sn原子間同樣以金屬共價鍵結合，但相比于界面上C-Al原子間的相互作用弱，鍵長大，界面上會存在Al原子的富集且不會形成Al4C3相。
　　在模擬計算的基礎上，用Sn、Sn-1.0Al釬料超聲釬焊SiC陶瓷，試驗結果表明：SnAl釬料能夠在250℃實現(xiàn)對SiC陶瓷的釬焊，SiC/Sn-1.0Al/SiC強度能夠達到30MPa，SiC/Sn-1.0Al/SiC接頭強度高于SiC/Sn/SiC接頭強度。