强磁场对Sn-Cu界面金属间化合物层生长行为的影响

题名:强磁场对Sn-Cu界面金属间化合物层生长行为的影响
作者:程从前
学位授予单位:大连理工大学
关键词:金属间化合物(IMC);;强磁场;;微观组织;;成分;;生长动力学;;洛伦兹力;;磁化能
摘要:

 近年来超导磁场发生技术的突破性进展,使得利用强磁场来控制物质的物理化学过程以及材料的制备过程成为可能。强磁场施加到材料上能产生多个方面的作用,足够强的磁场成为独立于温度和压力的参数,从而有望制备出新材料。强磁场也由此迅速应用于材料科学领域并取得了许多研究成果。这些研究中,较多地报道neodymium magnets了强磁场对合金微观组织和热力学稳定性的影响。但是,由于缺乏强磁场对诸如扩散和界面迁移等动力学问题的深入研究,造成了强磁场下扩散型相变过程以及电化学沉积过程等许多涉及动力学问题的理解还不够深入。界面金属间化合物(IMC)层的生长主要涉及原子扩散和界面迁移等内容,因此针对界面IMC层的生长行为,观察并研究强磁场对其生长的影响规律,最终总结其影响机制,将对理解强磁场下原子扩散和界面迁移起到重要的指导意义。然而,国内外对强磁场下界面IMC层生长行为的研究较少,强磁场对固／固扩散偶和液／固扩散偶中界面IMC层生长的影响机制均不清楚,亟需相关深入的研究。

 目前,无磁场下Sn-Cu界面IMC层生长的研究报道较多。众多有关Sn-Cu界面IMC生长的数据可以作为研究强磁场下界面IMC层生长的参考依据,与此同时,在Sn-Cu界面IMC生长过程中还有一系列问题有待进一步分析,例如,液态熔池对IMC生长的影响、元素添加对IMC形貌演变规律及其基板结构对IMC生长的影响等。因此,本文选择由纯Sn、Sn1.5Cu以及Sn0.3Ni三种合金分别与Cu和单晶Cu构成的扩散偶,研究了强磁场下固态时效和液固界面反应过程中元素添加以及不同基板条件下Sn-Cu界面IMC层的生长行为。利用扫描电镜、X射线衍射仪、电子探针等手段观察了强磁场下Sn-Cu界面IMC层的横截面与生长动力学、形貌特征演变、晶体取向和组元浓度分布的演变规律,并尝试从磁化能和罗洛伦兹力的角度揭示强磁场对Sn-Cu界面IMC层生长过程中原子扩散和界面迁移的影响,得出以下主要结论：

 (1)观察界面IMC层的横截面及其生长动力学,发现强磁场促进了界面IMC的生长。Sn／Cu时效过程中界面IMC层http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php生长厚度与时间的二分之一次方成正比,表明IMC层生长为原子扩散过程控制,无磁场下IMC层生长激活能为116kJ／mol；Sn／Cu和Snl.5Cu／Cu液固界面IMC厚度与时间的三分之一次方成正比,表明IMC层生长为晶粒的熟化过程；强磁场能提高界面IMC层的生长速率,并抑制Cu基板的溶解；强磁场同样增加了Sn／单晶Cu界面IMC层的厚度；Sn0.3Ni／Cu和Sn0.3Ni／单晶Cu中长时间条件下界面IMC出现分层,强磁场使靠近Sn基体一侧的IMC呈现棒状结构。随温度的增加,磁场的影响减弱。当高于350℃时,强磁场抑制了界面IMC层的剥离。

 (2)观察界面IMC层的形貌演变发现,强磁场对IMC晶粒形貌有两方面的影响：一方面是强磁场促进了IMC层生长过程中的晶粒尺寸,在Sn／Cu和Sn1.5Cu／Cu中强磁场促进了界面IMC层扇贝状晶粒生长过程中的平均尺寸,在Sn／单晶Cu中强磁场提高了IMC层的生长并促进了扇贝状晶粒的形成；另一方面,强磁场改变了IMC晶粒的形貌,在Sn0.3Ni／Cu和Sn0.3Ni／单晶Cu中,强磁场均能使靠近Sn基体一侧的IMC层出现棒状或者短棒状形貌。

 (3)比较不同磁场条件下界面IMC层的XRD图谱,发现强磁场能改变IMC的晶体取向：2T的强磁场改变了Snl.5Cu／Cu液固界面Cu6Sn5的小峰。Sn0.3Ni／Cu在不同磁场条件下的XRD图谱表明,强磁场能明显改变界面(Cu,Ni)6Sn5 IMC的晶体取向,并且伴随新峰出现。强磁场同样改变了单晶Cu基板上界面IMC的晶体取向。

 (4)利用EPMA面扫描和定量分析,研究了IMC组元在界面的分布及其浓度,发现强磁场改变了液固界面前沿的溶质分布和界面IMC层的成分：强磁场抑制了Snl.5Cu／Cu中Cu向液态Sn中的溶解并降低了Cu在液固界面前沿的溶质浓度；Sn0.3Ni／Cu中靠近Sn基体的外层多面体状或者棒状IMC均比内层椭球状IMC中的Ni含量高,强磁场通过改变IMC中的Ni含量来影响界面IMC的形貌。

 (5)基于实验结果,以Sn-Cu界面IMC层生长行为作为研究对象,从磁化能和洛伦兹力角度初步总结了强磁场对IMC层生长的影响机制,其结果表明：在IMC层的生长动力学方面,强磁场下的洛伦兹力抑制流体流动降低了Cu在液固界面前沿的溶解,进而促进IMC的生长,磁化能通过降低溶质平衡浓度从而促进IMC的熟化；在IMC形貌及晶体取向演变方面,强磁场通过加快IMC的熟化来促进IMC生长过程中的晶粒尺寸,而磁化能对溶质浓度的改变可以使IMC形貌发生转变进而影响其晶体取向。
学位年度:2010