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金属熔体在石墨和Al2O3上的润湿性及铺展动力学

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金属熔体在石墨和Al2O3上的润湿性及铺展动力学

作者：杨媛福州大学

学位级别：硕士

探讨金属合金与增强体的润湿机理,揭示其铺展动力学规律对于优化金属基复合材料的制备工艺具有重要理论指导意义。目前国际上关于润湿机制还存在很大的争议,已有的润湿铺展动力学模型都是以接触角或液滴铺展半径与时间的关系为表达式,... 详细信息

探讨金属合金与增强体的润湿机理,揭示其铺展动力学规律对于优化金属基复合材料的制备工艺具有重要理论指导意义。目前国际上关于润湿机制还存在很大的争议,已有的润湿铺展动力学模型都是以接触角或液滴铺展半径与时间的关系为表达式,没有揭示出铺展驱动力的本质。本文在有限界面热力学计算模型的基础上,推导了反应润湿体系的铺展动力学方程。采用改良的座滴法研究了 Au-Si/石墨、Ag-Ti/Al203体系的润湿性,结合XRD、EDS、SEM等检测技术分析了试样的界面微观形貌,利用本文建立的铺展动力学模型对体系的动力学变化规律进行了预测。获得的主要研究结果如下:(1)在一定温度条件下,Si的添加能显著改善Au与石墨的润湿性,随着合金浓度增加,体系达到平衡状态所用的时间缩短,最终接触角减小。这主要是由于活性元素Si与石墨溶解产生的C发生反应并在金属/石墨界面处生成较为连续的SiC层,形成新的金属/陶瓷界面,从而降低了固/液界面能,导致体系接触角减小。(2)Au-Si合金与石墨初始润湿阶段受到石墨板溶解和活性元素在界面与表面吸附的影响,并且温度越低,影响作用越明显。而体系润湿性的主要决定因素是界面反应,1373-1473 K温度范围内时Au-30at.%S/石墨体系的终态接触角在100°-16°之间,随温度升高,体系由不润湿转变为润湿,达到平衡状态所需的时间变短。(3)1373K-1473K温度范围内,Ag-4at.%Ti合金熔体在A1203基板上润湿铺展时初始接触角和终态接触角均对温度有一定程度的依耐性,均随温度以近似线性的关系变化。界面反应和活性元素Ti在界面的吸附共同决定了体系的润湿性,但界面反应起主要作用。随着温度升高,体系的界面反应加剧,产物层厚度明显增大,并出现了分层现象,这跟析出产物的类型和先后顺序有关。(4)利用固/液界面能的变化率对反应润湿过程进行描述,发现润湿过程与界面处的化学反应密切相关,从能量角度阐述了润湿铺展机制,并预测了固/液界面能随反应时间的延长呈指数关系降低。在反应控制阶段,理论计算与实验结果一致。通过本文建立的动力学方程求解了 Au-Si/石墨体系反应的表观活化能。

关键词：润湿性 Au-Si合金 Ag-Ti合金界面铺展动力学

剪切变稀液滴撞击不同浸润性壁面的数值模拟研究

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物理学报 2020年第6期69卷 168-177页

作者：沈学峰曹宇王军锋刘海龙江苏大学能源与动力工程学院

基于有限元法,采用水平集方法捕捉相界面的移动,构建了液滴撞击固体壁面的数值模型.通过修正的幂律模型描述流体的非牛顿剪切变稀特性,探讨了剪切变稀特性对液滴撞击固体壁面后铺展行为的影响,分析了撞击不同浸润性壁面时剪切变稀特性... 详细信息

基于有限元法,采用水平集方法捕捉相界面的移动,构建了液滴撞击固体壁面的数值模型.通过修正的幂律模型描述流体的非牛顿剪切变稀特性,探讨了剪切变稀特性对液滴撞击固体壁面后铺展行为的影响,分析了撞击不同浸润性壁面时剪切变稀特性对液滴撞击壁面行为的影响差异.研究结果表明:随着幂律指数m的减小,液滴撞击过程中的黏性耗散减小,液滴的形貌变化及无量纲参数变化更为显著.接触角为55°的情况下:当m降低至0.85时,液滴铺展过程中开始出现显著区别于牛顿流体液滴的振荡现象;当m降低至0.80时,液滴在回缩过程中会出现中心液膜断裂的情况.接触角为100°时,剪切变稀液滴均会出现振荡行为,振荡幅度随着m的减小而增大.接触角为160°时,牛顿流体液滴与剪切变稀液滴均会在回缩过程中弹起,但剪切变稀液滴的弹起速度更快.此外,基于数值计算结果,本文提出了接触角为55°情况下剪切变稀液滴撞击壁面后的最大无量纲铺展直径预测模型.

关键词：非牛顿流体液滴撞击有限元方法水平集方法铺展动力学

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钎料合金/陶瓷体系润湿行为研究进展

航空学报 2022年第4期43卷 250-264页

作者：付伟范振兴宋晓国卞红胡胜鹏雷玉珍哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院威海264209

钎料合金/陶瓷体系润湿行为研究对陶瓷的钎焊连接具有重要指导意义。目前主要在真空系统中开展润湿性试验,除了常规的座滴法,改良座滴法、滴落法以及液桥过渡法逐渐被采用以便获得更加准确的试验数据。钎料合金在陶瓷表面的润湿过程涉... 详细信息

钎料合金/陶瓷体系润湿行为研究对陶瓷的钎焊连接具有重要指导意义。目前主要在真空系统中开展润湿性试验,除了常规的座滴法,改良座滴法、滴落法以及液桥过渡法逐渐被采用以便获得更加准确的试验数据。钎料合金在陶瓷表面的润湿过程涉及溶解、扩散、界面吸附和反应等,是一种非常复杂的物理化学现象。根据驱动润湿的本质因素,可将润湿机制分为:溶解驱动润湿、吸附驱动润湿和界面反应驱动润湿。然而由于界面行为的复杂性,往往很难进行严格的划分。根据钎料合金/陶瓷界面行为特点,分别建立了反应控制润湿模型和扩散控制模型来研究体系的铺展动力学。对钎料进行合金化处理和陶瓷表面改性是改善润湿性的常用方法,本文主要从润湿性的表征和测量、润湿机制、铺展动力学模型和改善润湿性措施等方面,综述了钎料合金/陶瓷体系润湿行为研究的进展。

关键词：陶瓷润湿性铺展动力学润湿角润湿机制

超声辅助Sn基钎料在不同基板上的润湿行为及性能研究

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超声辅助Sn基钎料在不同基板上的润湿行为及性能研究

作者：胡兆成哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着电子技术的发展,电子器件变得愈发小型化、高度集成化,这对芯片封装技术提出了更高的要求。现阶段,对于各种钎料在金属基板上的润湿铺展现象研究较多,但是关于金属/金属反应润湿体系的润湿铺展机理仍不明确。超声波可以提高钎料的... 详细信息

随着电子技术的发展,电子器件变得愈发小型化、高度集成化,这对芯片封装技术提出了更高的要求。现阶段,对于各种钎料在金属基板上的润湿铺展现象研究较多,但是关于金属/金属反应润湿体系的润湿铺展机理仍不明确。超声波可以提高钎料的润湿性,但到目前为止,超声波辅助钎焊对钎料润湿和铺展的现象研究较少。因此,深入理解金属/金属反应润湿体系的铺展现象,以及理解超声作用下Sn基钎料在金属基板表面的润湿机制十分重要。本课题将围绕金属/金属反应润湿体系,主要开展在真空环境下,Sn基钎料在纯Cu基板和金属间化合物基板表面的润湿实验,并对比分析超声场的加载对钎料润湿铺展的影响。研究发现金属/金属反应润湿体系与温度有关,润湿过程大致分为快速铺展阶段、缓慢铺展阶段和稳定阶段,Sn/Cu体系符合此三个阶段,液滴的最终接触角稳定在67°左右;由于Zn元素的存在,Sn-9Zn钎料液滴被氧化膜包裹,降低了润湿性,最终体现为不润湿纯Cu基板。当使用金属间化合物基板时,可以明显提高钎料润湿性,Sn钎料在IMC基板上的最终接触角为22°,Sn-9Zn钎料的铺展面积从30.853 mm增大到39.438 mm。超声场的加载能显著促进钎料润湿,并且可以改变界面IMC层的厚度,提高接头强度。当施加超声辅助时,对于Sn/Cu体系,仅需要15 s即可将Sn液滴从不润湿状态变为润湿状态,界面化合物的厚度随超声时间的延长先减小后增大,超声作用10 s下Cu/Sn/Cu接头剪切强度达到52.8 MPa;对于Sn-9Zn/Cu体系,超声可震碎钎料表面的氧化膜,促进钎料液滴的流动,提高润湿性,界面化合物厚度随着超声时间的延长而增加,Cu/Sn-9Zn/Cu接头剪切强度达到43.8 MPa。超声辅助下,Sn/Cu体系和Sn-9Zn/Cu体系的时间指数分别为0.8365和0.3944。超声可以促进金属/金属反应润湿体系生成界面化合物,并且超声在三相线处产生的声张力会促进钎料液滴在Cu基板上的润湿铺展,Sn基钎料在Cu基板铺展过程中受到超声的化学驱动力和物理驱动力的共同作用。

关键词：超声辅助钎焊 Sn基钎料/Cu基板润湿性微观结构铺展动力学

Cu-8.6Zr-xTi三元合金分别在h-BN、AlN、Si3N4表面的润湿与界面

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Cu-8.6Zr-xTi三元合金分别在h-BN、AlN、Si3N4表面的润湿与界面

作者：王乐兰州理工大学

学位级别：硕士

h-BN陶瓷具有很小的摩擦系数,结构与石墨类似,但不会在较大载荷下发生软化,因而可以作为固体润滑剂引入到铜基复合材料中并进一步应用到电触点、导电滑轨、电刷以及火车上的受电弓等方面。Al N陶瓷具有良好的绝缘性能、耐高温和耐腐蚀性... 详细信息

h-BN陶瓷具有很小的摩擦系数,结构与石墨类似,但不会在较大载荷下发生软化,因而可以作为固体润滑剂引入到铜基复合材料中并进一步应用到电触点、导电滑轨、电刷以及火车上的受电弓等方面。Al N陶瓷具有良好的绝缘性能、耐高温和耐腐蚀性能,低的介电常数,高热导率以及与单晶硅和砷化镓等半导体材料相匹配的热膨胀系数(CTE),这使得它替代AlO成为使用最广的封装用大规模集成电路基板、散热基板和绝缘基板。SiN陶瓷虽然没有与Al N类似的热导率和热膨胀系数,但其作为大规模集成电路封装用基板时在电流载荷能力、力学性能以及可靠性等方面更具优势,这使得它表面能够覆盖更厚的铜层而应用于一些大功率模块器件中;除此之外,SiN陶瓷在导弹天线罩的应用方面具有极大的优势,它能够保证导弹在高速飞行中不受到天气的影响,但是在天线罩的使用过程中其端部需要与金属连接。综上所述,氮化物陶瓷的应用广泛,且金属-陶瓷界面的可靠性至关重要,然而以铜为代表的熔融单质金属在氮化物陶瓷表面不能发生润湿,不能与之形成有效的连接界面,极大地限制了工程技术当中的应用。因而改善铜或者铜合金在h-BN、Al N、SiN陶瓷表面的润湿性并揭示熔融金属在其表面的铺展机制成为当前亟需解决的科学问题。本文在Cu-8.6Zr共晶基体中添加不同含量的活性组元Ti,采用改良座滴法研究了1373 K高温高真空环境下其在h-BN、Al N、SiN等氮化物陶瓷表面的润湿行为,揭示了金属/陶瓷界面的显微结构,深入探讨了熔融金属在陶瓷基板表面的润湿机制、界面热力学以及铺展动力学,获得了以下重要结果:(1)1373 K高真空环境下,鉴于Zr和Ti较高的化学活性,熔融的Cu-8.6Zr和Cu-10Ti二元体系在h-BN表面理当拥有较好的润湿性,但结果显示Cu-8.6Zr(θ=128°)和Cu-10Ti(θ=127°)在h-BN上并不润湿,尽管界面处均有反应产物的析出。三元Cu-8.6Zr-xTi/h-BN体系最终的润湿性与合金中所添加的Ti的含量(x=2.5-10 at.%)呈正向关系,界面处优先析出氮化物,然后才有硼化物的生成。相比二元体系,三元体系中Ti的活度得到了增强,从而润湿性得以提高。体系最终的润湿性偏离了经典的反应产物控制模型,铺展机制取决于界面反应产物的析出和Ti或Zr在界面处吸附的协同作用。(2)1373 K高真空环境下,Cu-8.6Zr在Al N表面不润湿(θ=132°),少量的Ti的添加即可使得体系的接触角小于90°,且熔体中Ti含量越高,接触角越小。界面处优先析出了Zr N,随后生成Ti N,形成双反应层。体系最终的润湿性受控于反应产物的析出、Ti N计量比的变化以及活性元素Ti在金属/陶瓷界面处的吸附。铺展动力学满足反应产物控制模型且分为两个阶段,分别对应于两种反应产物的形成。(3)1373 K高真空环境下,Cu-8.6Zr-xTi/SiN体系属于典型的反应润湿体系,活性元素Ti的引入显著改善了体系的润湿性,界面处的相组成为βTi-(Ti,Zr)Si-Ti N,与Ti-Si-N三元相图基本吻合。体系的铺展动力学过程简单分为快速铺展阶段和准平衡阶段,其中快速铺展阶段与SiN的分解相关,准平衡阶段与反应产物Ti N的析出相关。Cu-Ti/Zr金属化SiN体系相比Cu-8.6Zr-xTi/SiN合金化体系润湿性较差,Zr在空气中的氧化或者在加热过程中的氮化造成了Zr金属层的改性,抑制了界面处活性元素的扩散与反应。(4)相同的外部条件下,由于陶瓷基板自身的稳定性以及金属/陶瓷界面出析出反应产物的不同等因素,使得熔融Cu-8.6Zr-10Ti三元合金在三种陶瓷基板表面润湿性的排序依次为SiN

关键词：活性组元氮化物陶瓷润湿性铺展动力学界面反应金属化

用于碳/铜连接的复合焊料中增强相与Cu-Ti钎料的润湿性研究

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用于碳/铜连接的复合焊料中增强相与Cu-Ti钎料的润湿性研究

作者：聂敦伟武汉工程大学

学位级别：硕士

碳/铜连接对于新型碳换向器及面向等离子体部件的制备具有重要的意义。但由于铜和金属焊料与碳材料之间物理性质的巨大差异,会导致在接头中产生较大残余热应力,从而降低接头性能。在活性钎料中添加低热膨胀系数增强相形成复合焊料,是有... 详细信息

碳/铜连接对于新型碳换向器及面向等离子体部件的制备具有重要的意义。但由于铜和金属焊料与碳材料之间物理性质的巨大差异,会导致在接头中产生较大残余热应力,从而降低接头性能。在活性钎料中添加低热膨胀系数增强相形成复合焊料,是有效缓解碳/铜接头残余热应力的方法之一。另外,增强相的引入可以提高钎料的填缝能力并对焊料层形成复合增强效果,也可改善接头性能。因此,复合焊料中增强相与活性钎料的润湿性研究对于碳/铜连接中复合焊料的优选及增强相在连接过程中的行为和增强机理等具有重要意义。本文采用座滴法研究Cu-Ti合金与碳材料、六方BN(h-BN)、TiB2以及无压烧结SiC陶瓷等增强相的润湿性,结合界面反应行为及铺展动力学理论,探讨各体系的润湿铺展机制。对于Cu-Ti合金/碳材料的润湿性,研究结果表明,Cu22Ti(表示合金中Ti含量为22wt.%)合金熔体在石墨和碳/碳复合材料(CFC)表面的初始接触角分别为110°和113°,平衡接触角分别为32°和26°。Cu50Ti(表示合金中Ti含量为50wt.%)合金在石墨和CFC表面具有更好的润湿性,其平衡接触角均为9°。在Cu22Ti/碳材料体系和Cu50Ti/碳材料体系的润湿界面,合金中Ti与碳反应形成了一层TiC反应层,反应层的形成改善了合金在碳材料表面的润湿性。铺展动力学研究表明,对于Cu-Ti合金/碳材料体系,在润湿前期,Cu-Ti合金在碳材料表面的铺展主要受三相线处活性元素Ti与碳材料基板的反应所控制;在润湿后期,铺展主要受合金中Ti元素向三相线处的扩散所控制。对于Cu50Ti合金在h-BN、Ti B2以及SiC陶瓷增强相表面的的润湿,研究结果表明,其初始接触角分别为42°、57°和61°;平衡接触角分别为8°、3°和11°。Cu50Ti/h-BN体系和Cu50Ti/TiB2体系的三相线前端出现了富含Cu和Ti元素的前驱膜层。Cu50Ti合金在h-BN、TiB2以及SiC的铺展动力学都符合反应产物控制铺展模型。Cu50Ti/h-BN和Cu50Ti/SiC体系的铺展主要受三相线处Ti元素与陶瓷基板的反应所控制;而对于Cu50Ti/TiB2体系,在润湿初期主要受三相线处Ti元素与TiB2基板的反应控制,在润湿后期则主要受合金中Ti元素向三相线处的扩散所控制,而在初期与后期之间的过渡期主要受Ti元素与基板的反应和合金中Ti元素向三相线处的扩散共同控制。

关键词：碳材料润湿性增强相界面反应铺展动力学

h-BN基复合陶瓷涂层防结渣机理及性能研究

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h-BN基复合陶瓷涂层防结渣机理及性能研究

作者：邵振龙中国计量大学

学位级别：硕士

针对燃煤锅炉受热面普遍存在的结渣问题,采用料浆法,在水冷壁常用基材20G钢表面制备了h-BN基复合陶瓷涂层,该涂层已在20多台600MW-1000MW大型煤粉锅炉上使用,取得了良好的的防结渣和防水冷壁高温腐蚀效果,本文通过粘附特性实验和铺展动... 详细信息

针对燃煤锅炉受热面普遍存在的结渣问题,采用料浆法,在水冷壁常用基材20G钢表面制备了h-BN基复合陶瓷涂层,该涂层已在20多台600MW-1000MW大型煤粉锅炉上使用,取得了良好的的防结渣和防水冷壁高温腐蚀效果,本文通过粘附特性实验和铺展动力学分析,探究了h-BN基复合陶瓷涂层防结渣机理及性能。灰渣粘附特性实验表明:在42080℃温度范围内,熔融灰在喷涂钢片表面接触角大于未喷涂钢片,涂层表现出较差的润湿性;粘附功小于未喷涂钢片,涂层具有降低熔融灰粘附强度的作用;在改变试验倾角试验中,倾斜角分别为30o、45o、60o,熔融灰在涂层表面接触角滞后值均比钢片小,熔融灰更容易从涂层表面滚落;熔融灰撞击钢片表面后形成一层连续液膜,而撞击涂层表面时,则出现破碎飞溅现象,这是因为涂层表面具有更低的表面能和化学不亲和性。微观形貌检测表明:熔融灰与钢片表面的氧化膜结合牢固,熔融灰中Pb元素已扩散至氧化膜内达到10.1At.%,熔融灰与氧化膜互相融合,不易清除;而涂层表面与熔融灰界线清晰,交界处有明显的孔隙,熔融灰扩散至涂层的Pb元素只有2.8At.%,这说明涂层能有效防止灰渣成分的渗透。在48080℃温度条件下,熔融灰在涂层和钢片表面的铺展过程可分为三个阶段:快速铺展阶段、缓慢铺展阶段、渐变平衡阶段。用经验幂率公式R描述熔融灰在试样表面的铺展过程,结果表明在前两阶段,钢片表面幂率指数n都大于涂层,熔融灰在钢片表面铺展速率大于涂层;n值均小于1,铺展润湿体系都属非饱和润湿体系,铺展动力学机制为反应、溶解和扩散的混合控制模型。动力学分析计算结果为:在非线性铺展阶段,熔融灰在钢片表面反应激活能E=4.33kJ/mol,小于涂层表面反应激活能E=12.38kJ/mol;在线性铺展阶段,钢片表面反应激活能E=26.76kJ/mol,小于涂层表面反应激活能E=39.29kJ/mol。相比未喷涂钢片表面,熔融灰在喷涂涂层表面的反应激活能更高,涂层表现出更好的防结渣特性。

关键词：燃煤锅炉复合陶瓷涂层结渣料浆法铺展动力学

锡基活性金属在氧化锆陶瓷表面润湿性以及钎焊界面反应性

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锡基活性金属在氧化锆陶瓷表面润湿性以及钎焊界面反应性

作者：谭开慧兰州理工大学

学位级别：硕士

二氧化锆陶瓷作为工程陶瓷的重要组成,因其在诸多方面展现出了优异性能,在机加工、航空航天、燃料系统、生物以及电子等领域发挥着重要作用并且难以替代。由于工业需求不断深入,工业应用环境不断复杂化,单一材料面临着严峻的挑战,因此... 详细信息

二氧化锆陶瓷作为工程陶瓷的重要组成,因其在诸多方面展现出了优异性能,在机加工、航空航天、燃料系统、生物以及电子等领域发挥着重要作用并且难以替代。由于工业需求不断深入,工业应用环境不断复杂化,单一材料面临着严峻的挑战,因此异种材料的连接被提出以打破该种局面。对于陶瓷,钎焊无论是在经济性或者稳定性上来讲都是将其与异种材料连接的最佳手段之一。对于钎焊,其不可避免的涉及钎料与基板的润湿性问题。锡基钎料作为典型的低熔点钎料被广泛的应用于生物以及电子等领域,然而其在氧化锆表面难以润湿,使得氧化锆陶瓷在对应领域的应用受到限制。加上目前工业转型重点转向生物医疗以及电子行业,使得以上矛盾更加突出。因此,改善锡基钎料在氧化锆陶瓷表面润湿性、揭示其润湿原理、铺展动力学并且据此提出有效的钎焊方案对于氧化锆陶瓷的工业应用有着重要意义。本文以Sn-8Zr、Sn-8Ti和Sn-4Zr-4Ti为钎料通过传统座滴法以及改良座滴法研究了其分别在YSZ和YSZ基板表面的润湿性,深入研究了以上钎料在氧化锆陶瓷基板表面润湿后的界面结构、润湿机制、界面热力学以及铺展动力。并且,选取了有着较好润湿性组别研究了其所对应的钎焊界面反应性。本项研究获得了以下重要结论:(1)在800-900℃下Sn-8Ti/YSZ、Sn-8Zr/YSZ以及Sn-4Zr-4Ti/YSZ体系中,Zr和/或Ti的添加都显著提高了润湿性。在含Zr添加剂的体系中,最终的润湿性取决于Zr的吸附和ZrO的形成,吸附作用是主导因素。此外,由于吸附和反应的竞争关系导致了含Zr体系中接触角与温度的反常依赖性。Sn-8Ti/YSZ体系的最终润湿性主要归功于TiO和TiSnO在界面的形成。在Sn-4Zr-4Ti/YSZ体系中,ZrO是优先析出相,润湿性表现出吸附决定的特性。两种活性添加剂的协同吸附作用导致本研究中的最佳润湿性(～30°)。对于Sn-8Zr/YSZ和Sn-4Zr-4Ti/YSZ,铺展动力学首先通过Zr在含Zr添加剂中的溶解然后通过润湿脊的形成来控制。Sn-8Ti/YSZ铺展动力学受限于TiO和TiSnO在固-液界面中析出的反应动力学,并且界面处的吸附显着降低了润湿的能垒。(2)在800-900℃下Sn-8Ti/YSZ、Sn-8Zr/YSZ以及Sn-4Zr-4Ti/YSZ体系中,引入活性元素的锡基合金在YSZ上的最终润湿性与温度有着很强的相关性:Sn-4Zr-4Ti/YSZ和Sn-8Ti/YSZ体系的最终接触角随温度的升高而减小;前者由于SnZr金属间化合物的析出而增强了界面的金属性,同时加强了活性元素Zr和Ti的吸附;后者是由于Ti的添加抑制了YSZ的分解(保持原有金属性)以及在固-液界面的吸附作用共同导致了最终的润湿性;Sn-8Zr/YSZ体系由于Zr的吸附、YSZ反应产物的形成以及SnZr金属间化合物过饱和析出三者之间的竞合关系,导致最终润湿性具有异常的温度依赖性。将标度律应用于铺展动力学的分析表明,体系的铺展不受基板分解产生的对流影响,并且Sn-4Zr-4Ti/YSZ和Sn-8Ti/YSZ体系的润湿激活能分别为197 kJ/mol和243 kJ/mol,分别对应液-固界面形成过程中Sn-Zr和Ti-Zr化学键能。(3)在850℃下YSZ|Sn-Zr-Ti|YSZ的钎焊实验中,YSZ|Zr|Sn|Ti|YSZ接头中,YSZ|Zr|Sn侧界面结构与Sn-4Zr-4Ti/YSZ体系界面结构相吻合,主要在界面处生成了厚度为2.14μm的连续ZrO的反应层。而YSZ|Ti|Sn侧出现了基板的溶解以及YSZ的再析出,与Sn-4Zr-4Ti/YSZ润湿体系不同的是,在固-液界面处无SnZr金属间化合物的析出。这主要是由于YSZ侧的反应层对YSZ析出的Zr的消耗,抑制了Sn-Zr金属间化合物的析出。在YSZ|Ti|Sn|Zr|YSZ接头中,YSZ|Ti|Sn侧接头界面结构未能与其对应的润湿体系相关联,而是在固-液界面处形成了连续的TiO薄层反应层,该现象很可能归因于磁控溅射造成的浓度梯度。而YSZ|Zr|Sn侧接头界面结构与Sn-4Zr-4Ti/YSZ润湿体系相吻合,主要为基板的溶解、YSZ的再析出以及SnZr金属化合物在溶蚀坑附近的集中析出,而SnZr金属间化合物在界面的析出可能会导致接头性能的弱化。

关键词：润湿性铺展动力学吸附溶解润湿化学计量比钎焊

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水成膜泡沫灭火剂的铺展机理及灭火性能研究

水成膜泡沫灭火剂的铺展机理及灭火性能研究

作者：雒雨桢中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

水成膜泡沫灭火剂(AFFF)因具有泡沫及液膜的双重灭火作用,适用于各种烃类燃料火灾(B类火灾)的扑救。长期以来,国内外学者将AFFF灭火性能的研究重点一直集中在泡沫性能上,罕有针对液膜在灭火过程中所扮演角色的研究。鉴于AFFF的铺展性能... 详细信息

水成膜泡沫灭火剂(AFFF)因具有泡沫及液膜的双重灭火作用,适用于各种烃类燃料火灾(B类火灾)的扑救。长期以来,国内外学者将AFFF灭火性能的研究重点一直集中在泡沫性能上,罕有针对液膜在灭火过程中所扮演角色的研究。鉴于AFFF的铺展性能主要由氟碳-碳氢表面活性剂复配溶液的性质决定,本文着重讨论复配液的铺展动力学及液膜对烃类燃料灭火性能的影响。选取AFFF的核心成分氟碳表面活性剂与1-己烷磺酸钠以摩尔比1:1制备复配液,分别研究其在环己烷、正庚烷、航空煤油、溶剂油、0#柴油表面一维及二维方向铺展的动力学。借助高清相机观测不同时刻液膜的铺展长度,研究铺展系数、黏度等因素对铺展速率的影响,并采用油在水面铺展动力学模型中的“表面张力-粘滞力”机制进行拟合,发现理论值与实验值吻合度较高。研究发现,铺展速率与铺展系数成正相关关系,与燃料粘度成负相关关系。此外,铺展速率随铺展时间的延长而下降。一定浓度复配液可在典型碳氢燃料表面铺展并形成不同厚度的液膜,该液膜对油面具有一定的封闭作用。本文通过检测封闭体系上方油蒸汽浓度随时间的变化,研究液膜厚度对油蒸汽的封闭效果。结果表明,燃料相同时液膜厚度越大其封闭性能越好;液膜厚度相同时,燃油挥发性越强则其封闭性能越差。此外,本文创新性搭建了研究液膜影响AFFF灭火性能的实验平台,通过调节复配剂用量控制其成膜能力,研究水膜形成与否及铺展速率对AFFF灭火性能的影响。在内径为338mm的油盘中,分别采用无铺展性能、铺展性能较差、铺展性能良好的三种泡沫液进行灭火实验,其灭火时间分别为33s、29s、27s。实验结果表明,液膜的形成对于灭火效果有一定的正面作用,铺展速率越快,灭火时间越短。

关键词：水成膜泡沫灭火剂铺展动力学封闭性能灭火