纳米Cu/Ti-Si3N4陶瓷基板的界面作用及抗热疲劳机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51905050
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0508.成形制造
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Thermal stress fatigue failure caused by mismatch in the coefficients of thermal expansion (CTE) between the metal layer and ceramic plate during a high and low temperature cycle is considered as the big issue of high-power ceramic substrates. This project focus on the formation of nano Cu/Ti-Si3N4 ceramic substrates by SPS hot pressing sintering to tackle the problems in thermal stress fatigue. The effects of processing parameters on the microstructure of metallized Layer and interface of the nano Cu/Ti-Si3N4 ceramic substrates are investigated, thus, the formation mechanism of nano-metallized layer and interfacial interaction mechanism between Cu and Ti-Si3N4 under the activation of thermal pressure and plasma will be explored. The change regulation of microstructure of metalled layer and the interfacial evolution between Cu and Ti-Si3N4 during a high and low temperature cycle are investigated, thus, the thermal fatigue damage mechanism of nano Cu/Ti-Si3N4 ceramic substrates as well as the plastic deformation mechanism for resistting thermal fatigue by nano-metallized Cu will be explore, finally, the interaction mechanism of resistting thermal fatigue by nano Cu/Ti-Si3N4 ceramic substrates will be revealed. The study of this project not only provides crucial experimental and theoretical foundation for the fabrication of high-power ceramic substrates, but also is of great significance for the knowledge enrichment of the interfacial interaction mechanism and thermal fatigue damage mechanism.
针对大功率、超大功率陶瓷基板在高低温冷热循环作用下陶瓷金属热膨胀系数失配引起的热应力疲劳(热疲劳)难题,本项目采用SPS热压烧结技术,制备纳米Cu/Ti-Si3N4陶瓷基板,研究烧结工艺对陶瓷基板金属化层及界面微观结构的影响规律,探索热压温度场和等离子活化作用下纳米Cu金属化层的成形机制及Cu与Ti-Si3N4陶瓷间的界面作用机制;研究高低温循环过程中陶瓷基板金属化层微观结构的变化规律,界面微观结构的演化规律,探索纳米Cu/Ti-Si3N4陶瓷基板的热疲劳损伤机理及纳米Cu抵抗热疲劳的塑性变形机制,揭示纳米Cu/Ti-Si3N4陶瓷基板抗热疲劳的作用机理。本项目的研究不仅为大功率陶瓷基板的制造提供重要的理论依据和数据基础,而且对丰富大功率陶瓷基板界面反应机制和热疲劳损伤的理论也具有重要得意义。

结项摘要

针对大功率、超大功率陶瓷基板在高低温冷热循环作用下陶瓷金属热膨胀系数失配引起的热应力疲劳(热疲劳)难题,本项目采用SPS技术,制备了纳米Cu-Si3N4陶瓷基板,研究了烧结工艺对陶瓷基板金属化层及界面微观结构的影响规律,探索了热压温度场和等离子活化作用下纳米Cu金属化层的成形机制及Cu与Ti-Si3N4陶瓷间的界面作用机制。在温度和压力一定时,随着保温时间的逐渐延长,纳米铜粉微观结构的演变经过粉末的活化、烧结颈的形成和烧结颈的生长三个阶段实现纳米铜粉的快速致密化过程。通过添加Ti过渡层成功制备了纳米Cu-Si3N4陶瓷基板,SPS烧结过程中Ti过渡层首先演变成Ti2O层,然后随着保温时间增加而形成在双层结构:一层(Ti2O)结合到Si3N4陶瓷,而另一层(Ti4Cu2O(Ti3Cu3O),Cu)结合到纳米Cu金属层,此结构的形成保障了界面结合强度。另外,我们推测界面反应机制为(i)Cu2O的分解和Ti固溶体(Ti[O])的形成;(ii)Cu层中Ti-Cu-O化合物(Ti4Cu2O,Ti3Cu3O)的形成;(iii)Ti2O层中Ti-Cu-O合物(Ti4Cu2O,Ti3Cu3O)的形成。这三个反应与O、Ti和Cu原子在等离子体活化下的扩散密切相关。界面处形成的Ti3Cu3O化合物还可能起到缓解界面热应力的作用。本项目还研究了高低温循环过程中陶瓷基板金属化层微观结构的变化规律,界面微观结构的演化规律。1)随着冷热循环周次的增加,样品的氧化程度增加,表面粗糙度增加。2)随着热疲劳实验过程的延长界面处逐渐会发生明显的元素扩散现象,进而会促进界面反应的进行。经过100次热循环的疲劳实验,界面微观结构变化不大,在进行热循环的过程中Ti反应层保持稳定;当热循环到400周次时,界面反应层出现较大变化,直到500周次导致界面处Ti2Cu3、Cu2O等化合物的出现,同时也在过渡层发现纳米孪晶铜。纳米孪晶的形成可能起到了明显缓解界面热应力的作用,有利用提高陶瓷基板的热疲劳抗力。本项目的研究对丰富大功率陶瓷基板界面反应机制和热疲劳损伤理论具有重要得意义。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Fabrication and joining mechanism of Nano-Cu/Si3N4 ceramic substrates
纳米Cu/Si3N4陶瓷基板的制备及连接机理
  • DOI:
    10.1016/j.ceramint.2020.09.186
  • 发表时间:
    2020-10
  • 期刊:
    Ceramics International
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Chenglai Xin;Rong Yuan;Jiang Wu;Qingyuan Wang;Yanan Zhou
  • 通讯作者:
    Yanan Zhou

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其他文献

Co含量对一种Ni-Co-Al粉末高温合金摩擦学性能的影响
  • DOI:
    10.11901/1005.3093.2014.019
  • 发表时间:
    2014-07
  • 期刊:
    材料研究学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    辛成来;王文珍;马勤;国洪建
  • 通讯作者:
    国洪建
热压温度对一种Ni-Co-Al粉末高温合金摩擦学行为的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    材料研究学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    辛成来;马勤;王文珍;贾均红
  • 通讯作者:
    贾均红

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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