基于纳米量热技术的单个金属微滴的原位快速凝固研究

本项目将利用高灵敏度纳米量热学技术与球形金属微滴新型制备方法相结合的实验技术手段，并充分利用所选用的Sn基金属微滴与测试传感器不润湿或润湿较差的特点，确保凝固微滴在快速凝固测试过程中的几何形状和尺寸的完整性，从而实现不同尺寸单个微米量级微滴在快速冷却及大范围冷却条件下的凝固，获得原位实时可测的过冷度等凝固特性参数，可实现的微滴原位冷却速率将达到10,000K/s甚至1,000,000K/s。本研究原位实时可测的特点有别于以往仅能在凝固过程完成之后依靠理论估算快速凝固过冷度的研究。因此，依据这一新开发的快速凝固研究手段，本项目将系统探讨微米尺度的金属微滴在快速凝固过程中的凝固特性，揭示冷却速率和微滴尺寸对金属凝固过程的独立影响以及单个金属微滴在快速凝固条件下的凝固形核特性，为原位纳米量热学技术应用于金属微滴凝固领域的研究提供理论依据和实验基础，并为金属凝固理论的发展提供创新性成果。

利用纳米量热学技术（亦称快速热分析技术）高灵敏度与可原位实现大的加热-冷却速率范围的技术优势，本项目系统研究了环境气氛、微滴尺寸、冷却速率及过热度等因素对单个金属微滴凝固过冷度影响的研究，纳米量热学技术在镶嵌粒子快速凝固过程中的探索研究，以及纳米量热学技术在微纳无铅焊料开发中应用的前期研究。开发出已获得国家知识产权局正式授权的发明专利“金属熔体的速冻方法”，圆满完成了项目申请之初提出的揭示冷却速率和微滴尺寸对金属微滴凝固过程的独立影响以及单个金属微滴在快速凝固条件下凝固形核特性的预期研究目标。提出了微滴尺寸、微滴冷却速率对凝固过冷度影响的物理模型。研究表明，小尺寸微滴得到的过冷度较大尺寸微滴而言要大，且在低冷却速率条件下，表面异质形核占主导地位，而在高冷却速率条件下，体积异质形核占主导地位；随着微滴尺寸的减小，表面异质形核向体积异质形核转变所需的临界冷却速率变小。基于空穴异质形核理论，提出了在高过热度与低过热度条件下，微滴过冷度随冷却速率不同变化趋势的理论模型。此外，本项目将快速热分析技术成功引入镶嵌颗粒异质形核过程研究。本项目的顺利实施，为原位纳米量热学技术应用于金属微滴凝固领域的研究提供了理论依据和实验基础，并为金属凝固理论的发展提供了创新性成果。