论文总字数：21938字

摘 要

陶瓷材料优点众多，在工业领域应用广泛，但是由于与金属热膨胀系数差异大，难以实现陶瓷/金属之间的互连。而自蔓延燃烧反应具有放热大，升温快，热影响区小等特点，Al/Ni自蔓延薄膜可作为局部快速热源，表现出实现陶瓷/金属互连的潜力。

本文针对陶瓷与金属异种材料的连接，采用自蔓延燃烧工艺，利用多物理仿真软件COMSOL建立了自蔓延焊接温度场模型，结合领域内其他研究，探究了预热温度、钎料厚度、预加压力对自蔓延互连及互连温度场的影响机制。

研究结果表明：在150μs的时间内自蔓延薄膜中心的最高温度就可以达到1316℃。在500μs时温度已经下降到了250℃以下。而据母材/钎料界面200μm出的最高温度仅仅只有176℃可见薄膜自蔓延燃烧反应具有热效率高热影响区小等特点。适合用作陶瓷与金属等性质差异较大的异种材料之间的连接。预热温度，预加压力，钎料厚度等三种工艺因素的改变都会对连接质量产生影响。本论文研究结果对于基于陶瓷与金属的异种材料薄膜自蔓延连接的工业化应用具有理论指导意义。

关键词：Al/Ni纳米薄箔；自蔓延；陶瓷连接；

Abstract

Ceramic materials have many advantages and are widely used in the industrial field. However, due to the large difference in thermal expansion coefficient from metals, it is difficult to realize the interconnection between ceramics / metals. The self-propagating combustion reaction has the characteristics of large exotherm, fast temperature rise, and small heat-affected zone. The Al / Ni self-propagating film can be used as a local fast heat source, showing the potential of realizing ceramic / metal interconnection.

This article aims at the connection between ceramic and metal dissimilar materials, adopts the self-propagating combustion process, and uses the multi-physics simulation software COMSOL to establish a self-propagating welding temperature field model. Combined with other research in the field, the preheating temperature, brazing material thickness, and preloading pressure are explored The influence mechanism of self-propagating interconnection and interconnection temperature field.

The research results show that the maximum temperature of the self-propagating film center can reach 1316 ℃ within 150μs. At 500μs, the temperature has dropped below 250 ℃. According to the maximum temperature of 200μm at the base material / brazing material interface, only 176 ℃, it can be seen that the self-propagating combustion reaction of the film has the characteristics of high thermal efficiency, small heat affected zone and so on. It is suitable for connection between dissimilar materials with large differences in properties, such as ceramics and metals. Changes in three process factors such as preheating temperature, preloading pressure, and solder thickness will affect the quality of the connection. The research results of this paper have theoretical guiding significance for the industrial application of the self-propagating connection of heterogeneous materials based on ceramics and metals.

Key Words：Al / Ni nano-foil; self-propagating; ceramic connection

目 录

第1章 绪 论 7

1.1研究背景和意义 7

1.2 国内外研究现状 8

1.2.1 陶瓷金属化 8

1.2.2 陶瓷与金属的连接方法 9

1.2.3 薄膜自蔓延燃烧反应 11

1.2.4 自蔓延燃烧反互连温度场模拟 12

1.2.5 自蔓延燃烧反应机理研究 13

1.3 论文主要研究内容及目的 14

第2章 实验设计和焊接温度场有限元模型建立 16

2.1 实验材料和研究方法 16

2.1.1 试验材料 16

2.1.2研究方法 17

2.2 焊接温度场有限元模型建立 18

2.2.1 模型简化假设 18

2.2.2 模型的建立和网格的划分 19

2.2.3 热传导和材料设置 20

2.3 本章小结 21

第3章 模拟结果及分析 22

3.1 模拟结果总述 22

3.2 预热温度的影响 25

3.3 钎料厚度的影响 27

3.4 本章小结 29

第4章 自蔓延焊接实验结果分析 30

4.1 缺陷形式 30

4.2连接质量的影响因素 30

4.2.1 对孔隙率的影响 31

4.2.2 对焊接区域厚度的影响 32

4.3 自蔓延的优化方法 33

4.4 本章小结 33

第5章 总结与展望 34

5.1全文总结 34

5.2 未来展望 34

参考文献 35

附录 37

致 谢 39

绪 论

1.1研究背景和意义

随着第三次工业革命的到来，各种各样的科学技术的发展速度很快。一些尖端科学，制造业，电子电工等方面的技术得到了很好的发展。例如航空航天技术、船舶、以及微电子和半导体产业。这些产业依托于互联网的迅猛发展达到了空前繁荣。软件设施的超前带动了硬件设施的发展。对于材料的性能也提出了更多的要求。工业上对材料的综合性能要求越来越高，工业发展的需要已经不能被性能单一的金属材料，陶瓷材料等满足。由此衍生出了一个新兴的研究领域：研究和开发异种材料的连接技术。通过一定的技术将不同种类的材料连接起来，可以将各种材料的优点整合起来，使材料的能够物尽其用。

传统单一的材料中，陶瓷材料的熔点高、硬度大。因此对于高温，腐蚀的抗性很强。然而陶瓷材料加工性能较差，因此在制造尺寸较大、结构较为复杂的零件时的难度就很大。一般会将其与加工性能好的金属材料连接在一起形成陶瓷/金属复合结构达到物尽其用的效果。表1-1是现有技术下，工业上陶瓷与金属的连接的应用。

表1-1陶瓷与金属的连接的应用

请支付后下载全文，论文总字数：21938字