超声波作用下液态活性钎料在碳材表面润湿行为及界面反应

When the advanced carbon materials and metal is joined with active brazing, the wettability of liquid filler metal on the surface of the carbon materials is a prerequisite for brazing. But due to there is a big difference between carbon materials and metal on the physical and chemical properties, the joint could not be formed because the wettabilty of filler metal on the surface of carbon material is poor under atmosphere condition. The aim of this project is to improve the wettability of the liquid filler metals on the surface of the graphite. To establish wetting theory of liquid filler metals on the surface of the graphite is chosen as the academic guiding ideology for this research.The active filler metals is choosed as study subjects. The contact angle, adhesion work ,surface tension of metal elements on the surface of the graphite and mechanism of interface element diffusion and reaction will be acquired under different conditions. The theoretical basis of active brazing under ultrasonic will be established by thermodynamic calculation and computer simulation of atomic scale. The wetting behavior and interface reaction research of the liquid filler metals on the surface of the graphite will be studied under the action of ultrasonic. The important basic problems in ultrasonic reactive brazing technology will be researched and solved. The scientific basis will be provided to enhance brazing technology of metal/carbon materials in our country.

先进碳材与金属钎焊时，熔融钎料在碳素材料表面的润湿性是保证钎焊成功的先决条件。但由于碳素材料与金属的物理及化学特性的巨大差异，致使大部分金属都不润湿碳材，尤其是在大气条件下钎焊时，很难形成完整接头。本项目以解决和提高大气条件下液态钎料在石墨表面的润湿性为目标，以构建超声波作用下液态钎料在石墨表面的润湿理论为学术思想。以活性钎料为研究对象，测定在不同条件下金属元素在石墨表面的接触角、粘着功、表面张力等基础数据。通过分子动力学模拟计算界面元素扩散及反应机理。研究超声波作用下，活性钎料在石墨表面的润湿行为及界面反应。通过热力学计算以及原子尺度的计算机模拟，构建大气条件下超声波活性钎焊的理论基础。研究解决超声波活性钎焊技术中的重大基础问题，为提升我国金属/碳素材料的钎焊技术，提供科学依据。

石墨具有密度小，导热性能优良等特点，该材料与金属连接而成的部件，在换热器，热管理器件，电子行业，尤其是太阳能电站有广泛的应用前景。但由于石墨与金属的物理及化学特性相差巨大，大部分液态金属在石墨及金刚石表面不润湿润，接触角大于90°，因此不能获得金属与石墨的优质接头。在钎焊过程中附加超声波可实现液态钎料在不润湿固体表面的铺展，表现出“声致铺展”特性，使得超声波钎焊可以在非真空不使用钎剂的条件下实现对难润湿材料的焊接，因此受到国内外学者广泛关注，纷纷对此展开研究。本项目以解决和提高大气条件下液态钎料在石墨表面的润湿性为目标，以活性钎料为研究对象，测定在不同条件下金属元素在石墨表面的接触角、粘着功、表面张力等基础数据。采用高速摄像机对超声波作用下钎料铺展过程的外部特征进行捕捉，结合超声波在石墨表面传播特性以及钎焊接头界面微观形貌，通过分子动力学模拟计算界面元素扩散及反应机理，分析了超声波在铺展过程中起到的作用，研究影响钎料铺展的因素。研究表明，在超声波作用下，即使钎焊温度较低，仍然可以在钎料与石墨界面上生成很薄的TiC反应层，这个反应层是提高液态钎料在石墨润湿性的关键因素，而且随着超声波加载时间的延长润湿性变好。超声铺展驱动力为声波产生的压力与弯曲液面的附加压力差，该压力差的周期性变化导致钎料的铺展为周期性的扩张-回缩交替往复过程。钎料表面氧化膜是阻碍钎料铺展的关键因素，通过施加超声波可去除钎料表面氧化膜促进钎料铺展，氧化膜的种类和厚度是影响超声波破膜的关键因素，改变钎料成分可以减少氧化膜。研究成果解决了超声波活性钎焊技术中的重大基础问题，为提升我国金属/碳素材料的钎焊技术，提供了科学依据。

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