Al-MgAl_2O_4界面润湿与粘结及基板晶体取向的影响

【摘要】Al2O3或SiC增强的铝镁基复合材料因具有低密度、高比强度和比模量等诸多优点近年来受到了人们的广泛关注。在这类复合材料的制备过程中，Al2O3或表面预氧化的SiC与基体发生反应，界面上往往会形成MgAl2O4。Al/MgAl2O4界面性质对铝镁基复合材料的制备以及最终复合材料的性能起着至关重要的作用。本文采用润湿性测试和第一原理计算相结合的方法研究了基板晶体取向对Al/MgAl2O4体系界面结合的影响。润湿性实验中主要通过接触角表征体系润湿性，理论计算中利用分离功表征界面的结合强度，通过界面区域原子的成键方式与电子结构分析界面的结合本质。本文获得主要研究成果如下：(1)采用真空下的挤压滴落法测得Al/MgAl2O4体系的初始接触角大约为96°－106°，随温度升高略有降低，几乎不受基板晶体取向的影响。Al在MgAl2O4基板上的铺展主要归因于界面反应产物Al2O3的形成。由于三个晶面上原子结构不同，导致Al2O3的厚度对基板取向有明显的依赖性，表现为(100)>(110)>(111)。(2)在Al–MgAl2O4的反应润湿过程中，物相体积变化产生的应力引发液滴外围基板表面出现了大量的重构和剥离式的“晶须生长”，其形貌和晶体取向密切相关。这些“晶须”的形成不仅影响了体系的润湿行为，而且削弱了基板晶体取向对最终润湿性的影响。(3)DFT计算结果显示MgAl2O4(100)、(110)和(111)表面最稳定的结构分别是Mg–终止、MgAlO–终止和O–终止表面结构，表面能分别为1.63，2.1和2.66J/m2。Al/MgAl2O4体系界面结合强度与MgAl2O4(100)、(110)和(111)的表面能及界面上的原子结构有关，不同终止面金属Al原子在O位的结合最强，界面结合机制主要是离子键和一些极性共价键，而金属Al原子在Mg位和Al位的界面结合机制主要是共价金属混合键。总之，本研究不仅丰富了人们对于金属–陶瓷界面结合的认识，而且为Al2O3或SiC增强铝镁基复合材料的研究和设计提供了理论指导。
【作者】臧娟；
【导师】沈平；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】润湿；晶体取向；第一原理计算；界面结合；电子结构；

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