摘要
大功率微波金刚石输能窗在航天、核能及军工领域具有不可替代的作用，而金刚石与金属的高质量封接是实现输能窗制造与应用的前提。然而，金刚石与金属的化学性质（成键类型、表面化学结构等）及物理性能（热膨胀系数、弹性模量等）差异巨大，导致它们之间存在冶金结合困难、接头残余热应力大、接头气密性差等难题，在连接界面极易产生微裂纹甚至开裂，并成为制约大功率金刚石输能窗可靠制造的关键问题。此外，金刚石不能或难以被普通的熔融焊料润湿。本论文通过第一性原理计算比较了活性金属元素与金刚石C原子的结合行为，从而筛选出与金刚石形成较强结合的元素，改善Ag-Cu基钎料在金刚石上的润湿行为。采用两种Ag基钎料进行金刚石膜片与铜合金的钎焊连接，建立活性元素种类－钎焊工艺－界面结构－接头强度之间的关联，揭示界面连接机制。此外，采用有限元模拟计算钎焊接头残余应力的分布特征，并用密度泛函数理论解释不同钎料钎焊接头剪切强度产生差异的原因。主要研究结果如下： 基于密度泛函数理论，通过第一性原理计算比较了常用的活性金属元素(Ti、Cr、Zr、W)与金刚石C原子结合强度。结果表明，在同样能量的条件下，四种活性元素与金刚石结合强度大小关系为：Cr＞Ti＞W＞Zr。选出了Ti、Cr作为钎料的活性元素添加。 采用Ag-Cu-Zn-Sn-Ti活性钎料对金刚石膜片和铜合金进行钎焊，研究了钎焊工艺参数对接头界面微观组织的演变规律和剪切强度的影响。结果表明：采用Ag-Cu-Zn-Sn-Ti活性钎料，在钎焊温度700℃~760℃、保温时间10min~20min的工艺参数下，实现了金刚石膜片与铜合金的连接。金刚石侧的界面反应层主要由Ti和C元素反应生成的TiC组成。接头中形成了Cu基固溶体、Ag基固溶体、Cu3Sn、CuZn、CuSn3Ti5以及Ti6Sn5等化合物。随着钎焊温度升高或保温时间延长，界面反应更加充分，界面反应层的厚度不断增加。在740℃保温15min条件下获得了力学性能较优的钎焊接头，其剪切强度为136MPa。 采用Ag-Cu-Sn-Cr活性钎料对金刚石膜片和铜合金进行钎焊，研究了钎焊工艺参数对接头界面微观组织的演变规律和剪切强度的影响。结果表明：采用Ag-Cu-Sn-Cr活性钎料，在钎焊温度780℃~840℃、保温时间15min~25min的工艺参数下，实现了金刚石膜片与铜合金的连接。金刚石侧的界面反应层主要由Cr7C3组成。接头中形成了Cu基固溶体、Ag基固溶体、Cu3Sn以及Cr单质相。升高温度有利于增强接头的剪切强度，但温度过高会造成反应层增厚、脆性相增加，进而导致接头力学性能随之下降。在820℃保温20min的条件下获得的钎焊接头剪切强度最高，为178MPa。 使用有限元模拟软件ABAQUS模拟计算了采用Ag-Cu-Zn-Sn-Ti和Ag-Cu-Sn-Cr两种钎料钎焊的金刚石/铜合金接头残余应力分布，结果表明最大残余应力均位于金刚石和碳化物层的交界面，分别为1737.56MPa和2125.16MPa。基于第一性原理的密度泛函数理论，构建两种钎料模型。将Ti、Cr两种元素掺杂进钎料，通过分析界面形成异质结构的分离功说明两种钎料与金刚石结合强度产生差异的原因。
NETL