强磁场条件下Cu-Ni扩散偶的柯肯达尔效应

论文摘要

强磁场能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺寸,改变原子的排列、匹配和迁移以及改变材料的热力学状态。在强磁场环境中,材料会受到更强的磁场力作用,这些作用即使对非铁磁性物质也会变得很显著。因此,强磁场的应用为新材料制备和材料电磁过程研究开辟了新的领域,具有广阔的发展前景。本文采用金相显微镜、数字显微镜、电子探针等手段研究了强磁场作用下Cu-Ni扩散偶的柯肯达尔效应,考察了强磁场作用下Cu-Ni扩散偶中钼丝标记移动距离变化和扩散层厚度变化,并且利用Boltzmann-Matano（俣野）平面方法计算出不同磁场条件下的互扩散系数,结合Darken（达肯）方程求出铜原子和镍原子在不同条件下的本征扩散系数,探求了扩散行为与磁场强度、梯度、作用方向等磁场参数的依变关系,分析了强磁场对Cu-Ni扩散偶扩散过程的影响机理。本实验主要研究结果如下：Cu-Ni扩散偶在均恒强磁场作用下扩散退火处理时,发现磁场方向对原子的扩散速度有明显的影响。在平行（DPB）和垂直（DVB）于磁场的两个方向上扩散速度存在显著的差异,在DPB方向上标记物移动距离随着磁场强度的增加而增加,而在DVB方向上磁场强度的增加对标记物移动距离变化无显著影响。扩散退火时,标记物向镍层移动。这是由于Ni原子比Cu原子扩散速度更快,扩散平均距离更大。在DPB方向上不同的磁场强度条件下,均恒强磁场显著促进了扩散偶中铜原子和镍原子的互扩散,扩散层厚度都随着磁场强度的增加而增加。相对于铜原子来说,随着磁场强度的增加镍原子的本征扩散系数增加的更快,说明磁场强度改变了两种原子的相对扩散速度。施加梯度磁场,显著抑制Ni和Cu原子的互扩散和Cu-Ni扩散偶中钼丝标记物的移动；梯度磁场条件下,磁场方向的作用对钼丝标记的移动也表现出差异性,梯度磁场在DVB上的抑制作用比在DPB上的抑制作用更加显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 扩散定律及本质
• 1.2.1 Fick第一定律
• 1.2.2 Fick第二定律
• 1.2.3 扩散的本质
• 1.3 扩散微观机制及理论
• 1.3.1 原子跃迁频率与扩散系数
• 1.3.2 间隙扩散机制
• 1.3.3 换位扩散机制
• 1.3.4 空位扩散机制
• 1.3.5 位错扩散机制
• 1.3.6 晶界扩散机制
• 1.3.7 表面扩散机制
• 1.4 柯肯达尔（Kirkendall）效应
• 1.4.1 柯肯达尔（Kirkendall）效应的实验过程
• 1.4.2 柯肯达尔（Kirkendall）效应的含义
• 1.4.3 柯肯达尔（Kirkendall）效应的理论意义
• 1.4.4 柯肯达尔（Kirkendall）效应的实际应用
• 1.5 扩散的热力学分析
• 1.5.1 驱动扩散原子定向迁移的力
• 1.5.2 扩散系数的热力学解释
• 1.6 影响扩散的因素
• 1.6.1 温度
• 1.6.2 固溶体类型
• 1.6.3 晶体结构
• 1.6.4 晶体缺陷
• 1.6.5 浓度
• 1.6.6 合金元素
• 1.6.7 其他外场因素
• 1.7 外场作用下的扩散研究
• 1.7.1 电场作用下原子的扩散及相变研究概况
• 1.7.2 强磁场作用下的扩散
• 1.8 本文研究的目的和内容
• 第二章 Cu-Ni扩散偶的制备及其预处理
• 2.1 实验研究对象
• 2.1.1 电镀
• 2.1.2 电镀实验设备及器材
• 2.2 电镀实验方法
• 2.2.1 试样
• 2.2.2 试剂
• 2.2.3 镀液成分及作用、电镀工艺参数
• 2.2.4 电镀工艺流程
• 2.3 Cu-Ni扩散偶的预处理
• 第三章 强磁场下Cu-Ni扩散实验
• 3.1 实验设备
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验准备
• 3.2.2 实验工艺参数的选择
• 3.2.3 实验过程
• 3.3 实验结果观察及分析
• 3.3.1 金相组织观察
• 3.3.2 钼丝标记移动距离的测量
• 3.3.3 利用EPMA-1610电子探针进行微区元素成分分析
• 第四章 强磁场对Cu-Ni扩散偶柯肯达尔效应的影响
• 4.1 引言
• 4.2 无磁场不同时间条件下钼丝距离移动分析
• 4.3 均恒强磁场作用下Cu-Ni扩散偶的柯肯达尔效应
• 4.3.1 不同磁场强度和方向对Cu-Ni扩散偶中钼丝移动距离影响
• 4.3.2 在DPB方向上磁场强度对Cu-Ni扩散层厚度的影响
• 4.3.3 磁场强度对界面附近Cu（Ni）浓度分布的影响
• 4.3.4 在DPB方向上不同磁场强度作用下元素原子扩散系数的数值计算
• 4.3.5 分析与讨论
• 4.4 梯度磁场作用下Cu-Ni扩散偶的柯肯达尔效应
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 实验过程
• 4.4.3 实验结果
• 4.4.4 分析与讨论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介