合金元素和界面相Al4C3對SiC-Al界面結(jié)合影響的第一性原理及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文主要研究了合金元素(Mg、Si、Cu)和界面相Al4C3對SiC/Al界面結(jié)合的影響。采用通管滴定法研究800℃、900℃、1000℃三種溫度對SiC/Al體系潤濕性影響，并且在900℃溫度下，研究合金元素(Mg、Si、Cu)的添加對SiC/Al體系潤濕性的影響，利用SEM-EDS觀察界面微觀形貌；采用基于密度泛函理論(DFT)的Materials Studio軟件的CASTEP模塊建立理想SiC/Al模型，討論Mg、Si、Cu三種

2、元素?fù)诫s對SiC/Al界面結(jié)合影響，用粘著功表征界面的結(jié)合強(qiáng)度，通過電子結(jié)構(gòu)分析界面結(jié)合的本質(zhì)；探討Al4C3形成熱力學(xué)；利用第一性原理計(jì)算方法，研究Al薄膜吸附C原子的過程；構(gòu)建SiC+Al4C3/Al界面模型，分析界面上生成部分Al4C3時(shí)，對界面結(jié)合的影響；構(gòu)建Al4C3/Al界面模型，通過電子結(jié)構(gòu)分析Al4C3/Al結(jié)合本質(zhì)。
　　研究結(jié)果表明：SiC/Al體系潤濕動力學(xué)主要分為三個(gè)階段。800-1000℃溫度范圍內(nèi)，Si

3、C/Al體系的初始接觸角和最終接觸角都隨著溫度的增加而減小，初始接觸角由131°減小到109°，最終接觸角由90°減小到50°。隨著溫度升高， SiC/Al體系界面反應(yīng)越強(qiáng)烈，生成Al4C3相越多，并且Al4C3相有利于SiC/Al體系的潤濕。SiC/Al反應(yīng)過程中，在整個(gè)體系的潤濕性是一個(gè)動態(tài)變化的過程，真實(shí)的潤濕性可能由SiO2/Al轉(zhuǎn)變?yōu)镾iC/Al，然后轉(zhuǎn)變?yōu)镾iC+Al4C3/Al，最后轉(zhuǎn)變?yōu)锳l4C3/Al。
　　Al

4、(111)面和SiC(001)面是各自低指數(shù)面中表面能最小的晶面。在SiC(001)面中，以Si原子為終止面的表面能小于以C原子終止表面，并且以Si原子為終止面的SiC/Al體系界面黏著功小于以 C原子為終止面的SiC/Al體系。以Si原子為終止面的Brigde結(jié)構(gòu)是SiC/Al結(jié)合的主要方式。Mg、Si、Cu三種元素的摻雜使得界面黏著功增加，界面處原子之間的單位布居數(shù)增大，互相成鍵作用加強(qiáng)， SiC/Al體系更加穩(wěn)定，并且摻雜后體系黏

5、著功：摻Mg＞摻Si＞摻Cu＞未摻雜。隨著摻雜合金原子數(shù)量增加，SiC/Al體系的黏著功都呈先增大后減小的變化趨勢。Mg、Si、Cu三種元素的添加會使SiC/Al體系初始接觸角有所增加，但最終接觸角小于純Al/SiC體系。最終接觸角由73°，分別變?yōu)?1°、67°和63°，說明Mg、Si、Cu三種元素均能改善SiC/Al體系的潤濕性。
　　根據(jù)Al4C3形成熱力學(xué)模型計(jì)算所得，本文6組實(shí)驗(yàn)中都會產(chǎn)生Al4C3相。通過第一性原理模擬

6、Al(111)表面吸附C原子，結(jié)果表明：在Bridge位置上吸附C原子最為穩(wěn)定；隨著C覆蓋率的增加，C原子吸附能逐漸減小，Al和C原子之間形成共價(jià)鍵和離子鍵；通過第一性原理計(jì)算 SiC+Al4C3/Al界面黏著功為1231mJ/m2;C原子在Al表面的吸附會使C原子和Al原子之間形成共價(jià)鍵和離子鍵，并且使界面處的Si原子同樣形成共價(jià)鍵，促進(jìn)了界面結(jié)合。Al4C3(001)面以Al原子為終止面的表面能小于以C原子終止表面，并且以Al原子為