基于高频脉冲放电的多维多尺度微纳连接机制及界面行为研究

Precise micro-/nano-joining of multi point-line-plane is required more in advanced material preparation and device manufacturing and their macro performance is directly affected by the behavior of interfacial joining. In this study, an innovative micro-/nano-joining technology using a high-frequency pulse electric current discharge is proposed. High-quality and efficient multi-dimensional joining of micro-/nano-scale components materials is expected to be achieved through this new technology under the effect of skin, proximity, dielectric and spark. Characteristics and technical parameters of high-frequency pulse welding power supply, the electric current distribution and the effect of electric field applied on micro-/nano-components of metal or non-metallic materials will be researched. Influence of multi-dimensional contact condition on each effect will be analyzed. The possible formation of micro-arc, micro-plasma arc, glow discharge, heating mechanism and size effect of micro-contact resistance between components will be explored. The micro-/nano-joining mechanism of homogeneous or heterogeneous components materials under the high frequency electric field, temperature field and interfacial mechanics will be elucidated. The electrical-thermal-mechanial coupling effect, welding physical metallurgy and interfacial evolution process will be investigated. Fundamentals like interfacial physical chemistry, thermodynamics and kinematics will be revealed. The fracture behavior at the micro-/nano-bonding interface will be characterized. A statistical mechanics model will be established to study the multi-scale mechanical properties and multi-dimensional micro-/nano-bonding behaviors at the interface. The expected research outcomes will enrich the theory of micro-/nano-joining of advanced materials and the technological development of an integrated manufacturing of materials, structures and devices.

先进材料制备及器件制造更多地要求多点多线多面的精密微纳连接，连接界面行为直接影响其宏观力学性能。本申请提出基于高频脉冲电流放电的微纳连接新技术，综合利用趋肤、邻近、介电和放电等效应，实现多元多维多尺度微纳级组元间的高质量高效率连接。研制高频脉冲焊接电源，研究技术参数及其施加在金属或非金属材料微纳组元上的电流分布和电场效应，分析空间多维接触状况对各种效应的影响规律；探索组元间可能产生的微电弧、微等离子弧、辉光放电、微区接触电阻的加热机制和尺寸效应；阐明高频电场、温度场和界面力学等物理场作用下同质或异质组元材料的微纳连接机制；探究电-热-力耦合效应、焊接物理冶金和界面交互演变过程；揭示界面物理化学、热力学和动力学等理论问题；表征微纳连接界面的断裂行为，建立多尺度力学性能与多元多维微纳连接行为的界面统计力学模型。研究成果将丰富先进材料的微纳连接理论，有利于材料、结构与器件一体化制造技术的发展。

先进材料制备及器件制造需实现内部多种微观组元的高质量连接，以保证材料的宏观力学性能。本项目提出了将高频脉冲电流引入粉末材料的制备中，最大限度发挥高频脉冲电流的微观效应，以制造高品质的材料及器件。.采用ANSYS数值模拟方法建立了粉末颗粒脉冲电流烧结的理论模型，考虑热-电-力三场耦合作用，研究了烧结初期、中期及后期过程中粉末颗粒边界、内部的电流密度分布及温度分布，揭示了高频脉冲电流作用下陶瓷/金属、金属粉末颗粒间的微观连接机制，获得了高质量微纳组元连接界面；基于模拟计算工艺参数优化，制备了多种合金及颗粒增强复合材料；探索了脉冲电流后处理过程中电流与陶瓷/金属异质界面、位错及晶界的交互作用。.数值模拟结果显示，烧结初期，粉末颗粒间存在窄间隙，脉冲电流优先流经颗粒表面，具备产生微弧放电的条件，颗粒接触部位的电流密度可达3.48×105 A/m2，温度急剧升高至1278 °C；而颗粒中心部位的电流密度仅为8187 A/m2，温度仅为79 °C。随着烧结过程的进行，颗粒的接触方式由点接触转变为面接触，焦耳热为主要的加热机制。脉冲电流烧结过程可视为熔化(蒸发)，扩散和塑性变形的综合作用。.对脉冲电流烧结过程中粉末颗粒连接界面的组织特征及微纳力学性能进行了系统研究。结果表明：颗粒连接界面连接良好，颗粒颈部区域为细小的大角度晶界，且远比颗粒内部区域的晶粒尺寸细小，这可归因于颗粒间的电弧高温导致基体金属达到熔化甚至蒸发并最终冷凝得到。纳米压痕结果证实：粉末颗粒颈部区域由于具有细小的再结晶晶粒，其硬度值较颗粒中心较低，与颈部相邻区域由于高温作用发生粗化，因此数值低于颗粒中心。上述研究结果基本证实了项目的主题思路。.对制备的轧制态B4C/6061Al复合材料进行脉冲电流处理研究。结果表明：脉冲电流处理后，非热效应的作用有效促进位错的移动，材料内部发生完全再结晶，比例高达87%；脉冲电流处理后复合材料塑性得到大幅提高。.本项目提出的高频脉冲电流放电微纳连接新技术是一种高效的粉末材料制备技术，制备的B4C/Al复合材料已在核电领域关键装备上得到重要应用。项目研究期间，共发表相关学术论文23篇，申请国家发明专利14项，已授权10项。