Ag-Sn合金內(nèi)氧化界面微觀結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、作為最重要的含鎘觸頭替代材料，Ag-SnO2觸頭材料的復(fù)合界面結(jié)構(gòu)對(duì)其電接觸穩(wěn)定性具有重要影響。但是直到目前，Ag-SnO2材料的界面結(jié)構(gòu)特征及其相關(guān)性質(zhì)仍沒(méi)有得到深入系統(tǒng)的研究。因此，認(rèn)識(shí)并建立這種材料的界面結(jié)構(gòu)特征與化學(xué)成分、制備工藝和性能之間的聯(lián)系對(duì)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)及性能預(yù)測(cè)都具有重要意義。
　　本文采用金相(OM)、X射線衍射(XRD)、電子探針(EPMA)、常規(guī)透射電子顯微鏡(TEM)等分析手段，系統(tǒng)研究了Ag-

2、3Sn-(In，Bi，La)合金內(nèi)氧化過(guò)程中的組織演變規(guī)律、相結(jié)構(gòu)特征，探討了合金元素對(duì)Ag-Sn合金內(nèi)氧化行為的影響機(jī)理;以內(nèi)氧化Ag-3Sn合金為例，對(duì)Ag/SnO2界面的結(jié)構(gòu)特征、界面取向關(guān)系等進(jìn)行了詳細(xì)地表征和分析;采用第一性原理熱力學(xué)計(jì)算方法研究了金屬(Ag)和氧化物(SnO2，RuO2)的表面性質(zhì)以及Ag/SnO2界面的界面性質(zhì);綜合界面微觀結(jié)構(gòu)表征、界面第一性原理熱力學(xué)計(jì)算及內(nèi)氧化擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)分析幾方面研究結(jié)果，建立了Ag-

3、Sn合金內(nèi)氧化界面的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)Ag-Sn合金內(nèi)氧化界面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，得到了以下主要研究結(jié)論:
　　(1)Ag-3Sn合金內(nèi)氧化過(guò)程中，原位析出的SnO2顆粒多為長(zhǎng)八面體狀和長(zhǎng)片狀，并且與Ag基體間存在明顯的界面擇優(yōu)生長(zhǎng)關(guān)系:(111)Ag//(101)SnO2;內(nèi)氧化Ag-3Sn-In合金中的相組成為Ag、SnO2和In2O3，其中In2O3顆粒容易與SnO2顆粒形成附著生長(zhǎng)結(jié)構(gòu);內(nèi)氧化Ag-3Sn-Bi

4、合金中的相組成為Ag、SnO2和Bi2Sn2O7，SnO2和Bi2Sn2O7顆粒容易形成類似雞蛋的包裹結(jié)構(gòu);內(nèi)氧化Ag-3Sn-La合金中的相組成為Ag、SnO2和La2Sn2O7，La2Sn2O7顆粒尺寸較大，主要在晶界處形成，并伴隨有尺寸較大的SnO2顆粒，并在晶粒內(nèi)部形成了非常細(xì)小彌散的SnO2顆粒，尺寸約為10nm。
　　(2)結(jié)合Ag-3Sn-(Bi，La)合金內(nèi)氧化微觀結(jié)構(gòu)表征結(jié)果，探討了合金內(nèi)氧化機(jī)理。Ag-3Sn合

5、金內(nèi)氧化過(guò)程中，氧化帶的形成受O、Sn原子濃度變化的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程控制。提高合金中氧擴(kuò)散能力或降低Sn原子的反向擴(kuò)散能力是避免氧化帶形成的有效途徑。合金元素In抑制了Sn原子的反向擴(kuò)散行為，同時(shí)In2O3優(yōu)先形核促使Sn原子擴(kuò)散至Ag/In2O3界面處發(fā)生氧化形核;合金元素Bi具有很好的細(xì)化晶粒作用，大量的晶界能有效促進(jìn)氧原子擴(kuò)散，加速內(nèi)氧化過(guò)程，SnO2優(yōu)先形核導(dǎo)致Bi原子容易擴(kuò)散至Ag/SnO2界面處反應(yīng)形成Bi2Sn2O7;合金元素

6、La主要以彌散分布的共晶相La5Sn3存在，氧原子容易沿相界擴(kuò)散，并與La5Sn3優(yōu)先反應(yīng)形成La2Sn2O7相，然后才向晶粒內(nèi)部擴(kuò)散形成細(xì)小彌散的SnO2顆粒。
　　(3)結(jié)合TEM、HRTEM、SAED等分析手段對(duì)內(nèi)氧化Ag-Sn合金中的Ag/SnO2界面的晶體學(xué)位向關(guān)系、晶格畸變進(jìn)行了詳細(xì)表征分析。進(jìn)一步證實(shí)了SnO2顆粒與Ag基體間的界面擇優(yōu)生長(zhǎng)關(guān)系:(111)Ag//(101)SO,〈110〉A(chǔ)g//〈010〉SnO2;

7、采用矩陣計(jì)算和極圖方法確定了SnO2顆粒與Ag基體間的三種不同晶體學(xué)位向關(guān)系:TypeⅠ:[(1)10]Ag//[0(1)0]SnO2，(111)Ag//(101)SnO2TypeⅡ:[11(2)]Ag//[0(1)0]SnO2，(111)Ag//(101)SnO2TypeⅢ:[110]Ag//[001]SnO2，(1(1)1)Ag//(110)SnO2
　　(4)采用第一性原理熱力學(xué)計(jì)算方法研究了面心立方金屬Ag和金紅石結(jié)構(gòu)氧化

8、物(SnO2，RuO2)的低指數(shù)表面穩(wěn)定性。結(jié)果表明:Ag低指數(shù)表面表面能大小順序?yàn)?(111)＜(100)＜(110);SnO2低指數(shù)表面表面能大小順序?yàn)?(110)＜(100)＜(101)＜(001);RuO2低指數(shù)表面表面能大小順序?yàn)?(110)＜(101)＜(100)＜(001)。
　　(5)結(jié)合第一性原理計(jì)算和表面反應(yīng)熱力學(xué)，建立了氧化物(SnO2、RuO2)表面能隨溫度、氧分壓變化的函數(shù)關(guān)系，繪制了兩種氧化物的表面結(jié)構(gòu)

9、穩(wěn)定性熱力學(xué)相圖，并結(jié)合Gibbs-Wulff晶體平衡形態(tài)理論，預(yù)測(cè)了SnO2和RuO2兩種氧化物在不同生長(zhǎng)條件下的晶體平衡形態(tài)及其環(huán)境選擇性生長(zhǎng)行為，探討了氧化物晶體的環(huán)境選擇性生長(zhǎng)機(jī)理。
　　(6)基于Ag/SnO2界面結(jié)構(gòu)表征結(jié)果，采用第一性原理熱力學(xué)計(jì)算方法研究了Ag(111)/SnO2(101)界面的原子弛豫、電子結(jié)構(gòu)特征，并采用界面分離功（Wsep）和界面粘附功(Wad)評(píng)價(jià)了該界面的潤(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)合第一性原理計(jì)

10、算和界面反應(yīng)熱力學(xué)，建立了Ag(111)/SnO2(101)界面的界面能隨溫度、氧分壓變化的函數(shù)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上首次繪制了Ag(111)/SnO2(101)界面的界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性熱力學(xué)相圖。
　　(7)通過(guò)對(duì)Ag-Sn合金內(nèi)氧化動(dòng)力學(xué)過(guò)程和氧在銀合金中溶解熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行分析，建立了合金內(nèi)氧化區(qū)內(nèi)“原位氧分壓”與環(huán)境氧分壓、合金成分、內(nèi)氧化溫度、氧化時(shí)間、內(nèi)氧化層距離之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)不同內(nèi)氧化工藝條件下合金內(nèi)氧化區(qū)內(nèi)“原位氧分壓