利用掺杂Y2W3O12 NTE颗粒的银基填充合金来缓解金刚石/铜复合材料中的残余应力

《Vacuum》：Relieving the Residual Stresses in Diamond/copper Combination Using the Y 2W 3O 12 NTE Particles Doped Ag-based Filler Alloys

残余应力调控与界面结合机制在金刚石/铜钎焊接头中的应用研究。采用AgCuSnTi+1 vol.% YWO复合钎料，通过TiO?+Ti?Cu?O双相层包裹YWO颗粒增强界面结合，使残余应力降低15.8%至308.2 MPa，剪切强度提升至253.7 MPa。过量YWO（3/5 vol.%）导致颗粒团聚，引发界面缺陷。揭示了YWO负热膨胀特性对热应力释放的机理及与微观组织演变规律。

　　在当前的研究中，科学家们关注的是如何解决在制造金刚石微波窗口过程中遇到的残余应力问题。这些应力主要来源于金刚石与铜之间的钎焊接头。金刚石微波窗口是核聚变反应堆中的关键设备，例如国际热核聚变实验堆（ITER），其主要功能包括传输高能微波、维持氚和真空边界以及散热。因此，确保金刚石与铜之间接头的可靠性至关重要。

为了应对这一挑战，研究人员引入了一种具有负热膨胀系数（NTE）的材料，即Y?W?O??（简称YWO），并将其添加到AgCuSnTi填充合金中，以缓解金刚石/铜接头的残余应力。这一策略的核心在于利用YWO的特殊热膨胀特性，从而调整接头的物理参数，使其在冷却过程中能够有效抵消金属材料的体积收缩。这一方法的提出，基于对异质材料接头残余应力问题的深入理解，以及对NTE材料在钎焊应用中的广泛研究。

在实际应用中，Ag基填充合金因其低熔点和良好的延展性而被广泛用于连接金刚石材料和金属。然而，尽管这些合金在提升接头强度方面表现优异，但由金刚石与铜物理性质差异引起的残余应力依然存在，并且在服役过程中，由于热循环的影响，这种应力还会进一步加剧，导致接头疲劳损伤，最终影响设备的使用寿命。因此，寻找一种能够有效缓解残余应力的方法，成为提升金刚石微波窗口稳定性和可靠性的关键。

研究人员通过合成YWO增强的AgCuSnTi复合填充材料，首次尝试将其用于金刚石与铜的钎焊连接。他们系统地研究了YWO添加量对钎焊接头微观结构、剪切强度以及残余应力的影响。实验结果显示，当YWO添加量为1体积百分比时，接头的残余应力被缓解了15.8%，同时剪切强度达到了253.7 MPa。这表明，适量添加YWO确实能够改善接头性能。然而，当YWO含量增加到3和5体积百分比时，虽然某些相的形成有所减少，但YWO的聚集缺陷却显著影响了接头的结合强度，导致性能下降。

通过微观结构分析，研究人员发现，在使用AgCuSnTi+1 vol.% YWO填充材料时，接头主要由Ag（s,s）、Cu（s,s）、YWO颗粒以及少量的CuSn?Ti?和CuTi相组成。此外，围绕YWO颗粒形成的TiO?和Ti?Cu?O双层结构，为金属填充材料与非金属YWO颗粒之间的界面结合提供了重要的支持。这种双层结构不仅有助于缓解残余应力，还增强了接头的整体性能。

进一步的分析揭示了YWO在AgCuSnTi填充材料中的作用机制。YWO颗粒在高温下保持固态，而AgCuSnTi填充材料则逐渐熔化，形成复杂的钎焊池。在此过程中，钛和氧元素被逐渐溶解到液态填充材料中，最终形成围绕YWO颗粒的双层结构。这一结构在冷却过程中起到了关键的应力缓解作用，因为它能够与填充材料形成良好的界面结合，从而减少应力集中。

此外，研究还探讨了YWO添加对钎焊过程的影响。通过调整填充材料的组成和加工参数，研究人员能够更精确地控制接头的物理特性。例如，YWO的添加不仅能够降低接头的残余应力，还能通过其特殊的热膨胀行为，优化接头的热匹配性。这在高温环境下尤为重要，因为材料的热膨胀差异是导致残余应力的主要原因之一。

为了全面评估YWO添加对钎焊接头性能的影响，研究人员采用了多种实验手段，包括显微结构分析、剪切强度测试以及拉曼光谱分析。这些方法不仅帮助他们了解接头的微观组成，还能够定量评估残余应力的变化情况。通过这些实验，他们发现YWO的添加对剪切强度和残余应力的缓解具有显著效果，但过量添加则可能引入新的缺陷，从而影响接头的性能。

在实验过程中，研究人员还注意到，YWO颗粒在填充材料中的分布对最终接头的性能有重要影响。当YWO含量较低时，其能够均匀地分散在填充材料中，形成稳定的界面结构。然而，当YWO含量过高时，颗粒容易聚集，导致局部应力集中，进而影响接头的整体强度。因此，控制YWO的添加量是实现高性能接头的关键因素之一。

从理论角度来看，YWO作为一种具有负热膨胀特性的材料，其在钎焊过程中的作用机制涉及多个方面。首先，YWO能够在冷却过程中膨胀，从而抵消金属材料的体积收缩，减少残余应力的积累。其次，YWO的添加能够改善填充材料的热匹配性，使其更接近金刚石和铜的热膨胀系数，从而降低由于热膨胀差异引起的应力。此外，YWO的引入还可能通过其特殊的物理和化学性质，增强填充材料的结合能力，提高接头的可靠性。

然而，YWO的添加并非没有挑战。在实验中，研究人员发现，当YWO含量增加时，其在填充材料中的分散性会受到影响，导致颗粒聚集。这种聚集不仅会破坏填充材料的均匀性，还可能在接头中形成薄弱区域，从而降低接头的强度。因此，如何在保持YWO优良性能的同时，避免其在填充材料中的聚集，成为进一步优化接头性能的重要课题。

基于这些研究结果，科学家们提出了一种新的策略，即在AgCuSnTi填充材料中适量添加YWO，以实现残余应力的有效缓解。这种方法不仅能够提高接头的强度，还能延长其在高温环境下的使用寿命。此外，研究还为未来开发高性能的异质材料接头提供了理论依据和技术指导。

总的来说，这项研究展示了YWO在缓解金刚石/铜接头残余应力方面的潜力。通过引入YWO，研究人员成功地降低了接头的残余应力水平，并提升了其剪切强度。这些成果不仅为金刚石微波窗口的制造提供了新的思路，也为其他异质材料接头的优化设计提供了参考。未来的研究可以进一步探索YWO在不同填充材料中的应用，以及如何通过改进加工工艺，实现更优的性能表现。