基于競爭反應(yīng)調(diào)控的SiO2-BN復(fù)合陶瓷與金屬釬焊機(jī)理研究

SiO2-BN陶瓷作為新一代導(dǎo)彈天線罩材料，在裝配過程中陶瓷天線罩需要與金屬環(huán)進(jìn)行可靠連接。本項目采用活性釬焊方法實現(xiàn)SiO2-BN陶瓷與金屬的可靠連接，基于液態(tài)釬料與陶瓷相互作用過程中的界面特征，通過中間層體系優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)對釬焊接頭界面組織的控制以及力學(xué)性能的提高。 首先，本項目設(shè)計了兩種界面反應(yīng)模式，研究了活性釬料與SiO2-BN陶瓷的界面反應(yīng)。通過研究液態(tài)Ag-Cu/Ti釬料在SiO2-BN陶瓷表面的潤濕鋪展行為，揭示了活性元素Ti在反應(yīng)潤濕體系中的作用，并首次通過活性元素分離-高溫截流試驗闡述了反應(yīng)驅(qū)動潤濕的機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，采用Ag-Cu/Ti活性釬料分析了Invar/SiO2-BN體系的釬焊性，闡明了Ti含量、工藝參數(shù)對接頭界面組織和性能的影響。兩種母材固有的熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及釬焊接頭中脆性化合物的形成都弱化接頭性能。 為了緩解接頭的殘余應(yīng)力，設(shè)計h-BN顆粒增強(qiáng)的Ag-Cu-Ti BN復(fù)合釬料體系。添加的h-BN顆粒與活性元素Ti反應(yīng)形成TiB晶須和TiN顆粒聯(lián)合增強(qiáng)的接頭；同時Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的形成得到一定程度的抑制，接頭的平均抗剪強(qiáng)度達(dá)到39MPa?；贗nvar合金向液態(tài)釬料中的溶解機(jī)制，設(shè)計Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti軟性復(fù)合中間層，實現(xiàn)Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的抑制并緩解接頭的殘余應(yīng)力。當(dāng)Cu中間層的厚度為100μm時，接頭的抗剪強(qiáng)度最大為43MPa。結(jié)合顆粒增強(qiáng)復(fù)合釬料和軟性復(fù)合中間層的優(yōu)點，設(shè)計Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti BN軟性-梯度中間層，實現(xiàn)脆性化合物的完全抑制，同時對陶瓷側(cè)熱膨脹系數(shù)的調(diào)節(jié)。采用有限元計算評價三種中間層體系釬焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷接頭的殘余應(yīng)力大小和分布，結(jié)果表明軟性復(fù)合中間層緩解釬焊接頭殘余應(yīng)力效果最好。 SiO2-BN陶瓷釬焊過程中只有h-BN參與了界面反應(yīng)生成TiB2與TiN，未發(fā)現(xiàn)SiO2參與反應(yīng)的跡象?；诟偁幏磻?yīng)調(diào)控的思路，本項目首次提出了雙活性元素體系，采用Nb金屬作為母材，利用其向液態(tài)釬料中溶解并作為“第二”活性元素與SiO2相反應(yīng)，增強(qiáng)了界面冶金連接強(qiáng)度，接頭抗剪強(qiáng)度提高至48MPa。

本項目基于復(fù)合陶瓷競爭反應(yīng)調(diào)控和釬焊界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出一種采用“活性釬料層/軟性阻隔層/非活性釬料層”構(gòu)成的復(fù)合中間層釬焊SiO2-BN復(fù)合陶瓷與金屬的新方法。通過設(shè)計“活性金屬分離的潤濕鋪展”和“表面活化—電子束蒸鍍輔助釬焊”兩種界面反應(yīng)模式，研究反應(yīng)體系的潤濕機(jī)理，在原子尺度上解明復(fù)合陶瓷兩組元的競爭反應(yīng)機(jī)制，建立界面反應(yīng)層生長的動力學(xué)控制方程。通過構(gòu)建“金屬溶解擴(kuò)散模型”和“反應(yīng)體系活度系數(shù)計算的熱力學(xué)模型”，揭示金屬溶解過程的主控因素及其控制方法。采用這一新方法不僅能實現(xiàn)對復(fù)合陶瓷界面競爭反應(yīng)生長的控制，而且可以抑制金屬基體的溶解和脆性化合物的形成，得到塑性變形能力優(yōu)異的固溶體組織，為復(fù)合陶瓷與金屬的低應(yīng)力、高性能釬焊連接提供一種新思路。

除銅過程作為鋅直接浸出冶煉工藝凈化工段首道關(guān)鍵工序，具有競爭反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜、多反應(yīng)器關(guān)聯(lián)以及入口礦源多變、晶種返回底流不確定等特征，導(dǎo)致除銅過程優(yōu)化控制困難，造成生產(chǎn)能耗物耗高、出口銅離子濃度波動大。為此，本項目基于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理和固液非催化反應(yīng)模型，聯(lián)立反應(yīng)器物料衡算原理，建立了除銅過程競爭-連續(xù)反應(yīng)體系機(jī)理模型，并研究了面向多工況的模型參數(shù)自適應(yīng)辨識方法；建立基于趨勢分布特征的鋅粉有效性預(yù)測方法，提出了基于鋅粉有效性預(yù)測的鋅粉添加量多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)定方法；提出了基于模糊評估的除銅過程可控域劃分方法以及基于可控域的除銅過程鋅粉模糊校正方法，實現(xiàn)了除銅過程鋅粉添加量優(yōu)化控制，并將成果應(yīng)用于實際工業(yè)過程，提高了除銅過程出口溶液銅離子的合格率和穩(wěn)定度，降低了鋅粉的消耗。 項目執(zhí)行過程中，發(fā)表論文12篇，其中SCI收錄6篇，申請國家發(fā)明專利4項。

直接浸出冶煉是最先進(jìn)的濕法煉鋅綠色生產(chǎn)工藝，除銅過程通過添加鋅粉置換雜質(zhì)銅，是該工藝凈化工段首道關(guān)鍵工序，具有競爭反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜、晶種返回底流不確定等特征，使得除銅過程建模和優(yōu)化控制困難，造成鋅粉消耗高、工況波動大，嚴(yán)重影響后續(xù)生產(chǎn)流程的穩(wěn)定。為此，本項目針對除銅過程連續(xù)攪拌反應(yīng)槽（CSTR）內(nèi)競爭反應(yīng)的隨機(jī)性和閉環(huán)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)底流返回晶種的不確定性，研究競爭反應(yīng)體系概率動力學(xué)模型和基于反應(yīng)深度的閉環(huán)鏈?zhǔn)紺STR模型；分析研究基于競爭判別因子的鋅粉有效性，建立各反應(yīng)槽鋅粉添加量控制的可行域描述，提出面向工況穩(wěn)定的滿意優(yōu)化控制方法，應(yīng)用于鋅直接浸出冶煉除銅生產(chǎn)過程以驗證方法的有效性，形成競爭反應(yīng)體系下除銅過程控制理論與方法。本項目研究對濕法冶煉流程的穩(wěn)定和節(jié)能降耗具有重要意義，也將推動濕法冶金科學(xué)和控制科學(xué)的學(xué)科交叉發(fā)展，具有重要的科學(xué)意義和工業(yè)應(yīng)用價值。

Ti2AlC陶瓷是一種兼具陶瓷與金屬的性能的新型材料，在電極材料、自潤滑材料和原子能反應(yīng)堆覆層材料等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究分別采用Ag基(Ag,Ag-Cu)、Al基(Al,Al-Si)、Ni基釬料連接Ti2AlC陶瓷，以及Ti2AlC與金屬Cu、Ni的連接，研究了釬料成分和釬焊工藝參數(shù)對接頭微觀組織、力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響規(guī)律，獲得了最佳釬焊工藝參數(shù)與最佳接頭性能。利用釬焊，創(chuàng)造一種特殊的液態(tài)金屬與Ti2AlC陶瓷的交互作用條件，采用第一性原理，計算了液態(tài)釬料與陶瓷母材的交互作用，以及釬料元素中的原子對Ti2AlC陶瓷母材中原子的取代現(xiàn)象，利用高分辨透射電子顯微鏡對原子取代現(xiàn)象進(jìn)行了驗證，揭示了Ti2AlC陶瓷的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與液態(tài)釬料種類和含量的關(guān)系。結(jié)合第一性原理計算和TEM觀察，首次從原子尺度闡明并驗證了Si、Ag元素對Ti2AlC陶瓷中的原子取代作用。使用BNi-2釬料連接Ti2AlC陶瓷，獲得了剪切強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度90%的接頭。闡明了不同液態(tài)金屬與Ti2AlC陶瓷的交互作用機(jī)制，為這種陶瓷材料的設(shè)計、制備和使用條件下的穩(wěn)定性評價提供了理論依據(jù)。