[科普中国]-扩散层

简介

铜铝复合材料由于同时具有优良的导电性、导热性、耐蚀性、低接触电阻及质量轻等综合特性，逐步实现以铝代铜，近年来受到了广泛关注。铜铝复合材料伴随着诸多优点的同时，也存在一些问题有待去研究解决，其中最突出的是铜铝复合材料界面结合的控制，由于铜铝界面往往存在由多种金属间化合物组成的扩散层，这些金属间化合物硬度高、脆性大，严重影响了铜铝复合材料的性能，目前国内外相关的研究还很少。

采用一浴法对铜进行了表面热浸镀铝的实验，对铜铝固液结合过程中的界面扩散层进行了深入研究，建立了铜铝复合材料界面扩散层生长的动力学模型，以用来预测在热浸镀铝工艺下铜铝复合材料扩散层厚度随时间以及温度的变化趋势，进而有效的改善铜铝复合材料的性能1。

界面扩散层厚度的测量为了提高测量精度，对不同条件下铜铝复合材料的扩散层厚度进行3次测量，并取平均值，通过铜铝复合材料扩散层厚度与热浸镀温度、热浸镀时间的变化曲线可看出，在同一时间下，随着热浸镀温度的升高，铜铝复合材料界面扩散层厚度增加；在同一温度下，随着热浸镀时间的延长，铜铝复合材料界面扩散层厚度呈抛物线型方式增加2。

扩散系数模型建立为简化模型的建立，现作出如下假设：

（1）铜铝固液扩散与铜铝固固扩散机理相近；

（2）镀铝件提出镀铝液面后迅速固化；

（3）镀件提出电阻炉后，迅速冷却到室温。

铜铝复合材料界面扩散层厚度铜铝复合材料界面扩散层厚度与热浸镀温度呈指数增长关系，与热浸镀时间呈抛物线增长关系2。

铜铝复合材料界面扩散层厚度铜铝复合材料扩散层厚度的实验测量值和通过铜铝复合材料扩散层生长动力学模型计算的理论值。

铜铝复合材料界面扩散层厚度的实验值与理论值存在一定的误差。产生误差的原因主要是如下几个方面：首先是由于在模型计算推倒过程中假设铜铝固液扩散与铜铝固固扩散机理基本相同，而实际中热浸镀铝过程中铜铝固液扩散是一个复杂的过程，包括对流扩散、反应扩散等，会生成多种金属间化合物，这些化合物会阻碍扩散的进行，会造成在求解扩散系数Q 时存在一定误差，进而会影响最终的扩散模型；其次在模型建立过程中并未考虑镀铝件在提升过程中的扩散行为，铜铝在镀件提升过程中仍会继续进行复杂的扩散运动，这会造成扩散时间存在一定误差；最后在采用XPL－15型偏光显微镜（PM）测量镀铝件厚度过程中也会存在一定的误差。

由于没有考虑镀件提出铝液后的扩散，而实际扩散时间大于铜在铝液中的扩散时间。经修正后的扩散层厚度值，与实验结果基本吻合1。

总结（1） 通过研究铜热浸镀铝过程中温度、时间对界面扩散层厚度的影响，结果表明，在热浸镀温度为963～1 013K，热浸镀时间为10～25s范围内，铜铝复合材料界面扩散层厚度与热浸镀温度的指数成正比；与时间呈抛物线增长关系。

（2） 在实验的基础上建立了铜铝复合材料扩散层生长动力学模型，以用来预测不同热浸镀温度和时间下的铜铝复合材料的扩散层厚度，进而改善铜铝复合材料的性能。

（3） 由于铜在铝液中的扩散机理与铜在铝固体中的扩散机理存在差异，扩散层厚度的实际值与理论值会存在一定误差，需要通过实验引进一个修正系数进行修正，修正后的结果与实验值基本吻合3。