铝对氮化物、碳化物陶瓷的超润湿机理及应用研究

Fabricating metal-ceramic composites with unique property combinations of both materials can satisfy special requirements for materials in advanced engineering technologies. Contact of molten aluminum with ceramics occurs in many fabricating and technological processes, thus the wetting of aluminum on ceramics attracts much interest. As a macroscopic quantity to describe the microscopic mechanical properties (Interfacial Energy) of heterogeneous interfaces, wettability also receives much attention from researchers on heterogeneous interface theories. However, as aluminum is extremely easy to be oxidized and the oxidation layer formed at the aluminum surface will hinder the wetting process, researches on wettability are difficult. Besides, super-wetting phenomena exist in many applications of metal-ceramic applications. This project expects to study the super-wetting of aluminum on aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si3N4) and silicon carbide (SiC), which are widely used in advanced engineering technologies, through the structural observations, chemical analysis and mathematical simulations on atomic-scale (or molecular-scale) interfaces of super-wetting specimen. Mechanisms and process conditions of super-wetting are expected to be clearly illustrated and applied to perfect the dip-coating method and dip-coating/brazing process for fabricating metal-ceramic composites which we proposed. This project helps enhancing the theoretical researches on wettability of aluminum on ceramics and the interfaces of metal-ceramics, which is of great academic values.

陶瓷和铝复合应用可以充分发挥它们独特性能，满足高端工程技术对材料的特殊要求。复合应用经常会涉及到铝液和陶瓷的相互作用，因而表征相互作用的润湿性受到了高度关注。另外，由于润湿性能够表征异相界面的微观力学性能（界面能），因而也受到界面理论研究人员的重视。由于铝极端容易氧化，表面形成的氧化膜阻碍润湿，陶瓷和铝的润湿性研究困难。应用中存在着许多无法说明的超润湿现象。本项目拟在前期对铝和氧化铝的超润湿研究的基础上，开展高端工程技术中大量使用的氮化铝、氮化硅、碳化硅和铝的超润湿现象研究，通过对超润湿样品界面纳米及原子（分子）尺度的结构及化学成分观察分析以及数学模拟计算研究，阐明超润湿产生机理，把握产生条件，并将其应用于建立和完善我们提出的陶瓷热浸镀铝以及陶瓷和铝的热浸镀-钎焊工艺。该研究有助于促进陶瓷和铝的润湿性以及陶瓷-金属界面的理论研究，具有重大的学术意义。

将铝与陶瓷连接可以综合利用两者的优良性能，开拓新的应用领域。然而，由于铝极易氧化，且铝对陶瓷材料的润湿性普遍较差，铝与陶瓷的连接非常困难。本课题组提出了一种陶瓷热浸镀铝工艺，在氮气气氛保护下实现了新鲜铝液与陶瓷表面的直接接触，成功地在陶瓷表面镀上了铝膜。本项目对氮化铝陶瓷和碳化硅单晶进行了热浸镀铝实验，探究了影响热浸镀的主要工艺因素和以及其机理。. 实验发现氮气流量会影响气氛中的氧含量，适中的氮气流量会在气氛中残留适量的氧吸附在铝液表面，降低表面张力，促进镀膜形成。氮气流量过高，铝液膜容易团聚滑落；氮气流量过低，则氧会沿着铝液和陶瓷的界面扩散并吸附在铝液表面，降低其活性，阻碍镀膜。较高的实验温度、缓慢而均匀的推进速度有助于陶瓷和铝液充分反应，促进铝膜形成。. 热浸镀需要液体完全润湿被镀物体。然而，文献报道的铝液跟陶瓷的接触角远远大于零度。显然，陶瓷热浸镀铝过程中出现了超常润湿。对Al(111)/AlN(0001)界面进行的第一性原理模拟计算表明，氮化铝在富铝缺氮环境中发生的表面AlLCM重构能够显著改善润湿性，接触角由重构前的61°~63°降低至35°~41°。已知铝液表面吸附氧后表面张力可从1.092 J/m2降低至0.869 J/m2，而计算表明表面张力降低至1.02 J/m2后，接触角就可降至0°。说明氮化铝陶瓷浸入铝液后的表面重构，以及铝液膜表面吸附氧后的表面张力降低有可能是超常润湿的产生原因。. 对4H-SiC单晶的热浸镀铝实验表明，采用该工艺可以很容易地在SiC单晶表面形成一层连接牢固的铝膜。热浸镀过程中SiC与铝液发生反应，形成Al4C3化合物，而硅终结面的反应速度比碳终结面更高。对Al(111)/4H-SiC(0001)界面的第一性原理计算显示，反应会降低界面能，促进超常润湿。