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研究作者与机构
本研究的主要作者包括Yi Wen、Shuting Zhang、Weiqing Huang、Dingkun Yu、Ling Hu、Ping Wang、Ruting Fang和Peixuan Ouyang。研究团队分别来自华北理工大学机械与材料工程学院（North China University of Technology, Beijing, China）和杭州华光先进焊接材料有限公司（Hangzhou Huaguang Advanced Welding Materials Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang, China）。该研究于2024年6月9日在线发表在《Materials Today Communications》期刊上，论文编号为109507。

学术背景
本研究属于材料科学与焊接技术领域，特别是陶瓷与金属连接技术的研究。随着精密陶瓷作为结构材料的广泛应用，陶瓷与金属的连接问题成为亟待解决的关键技术难题。传统的陶瓷表面预金属化方法工艺繁琐、效率低且焊接效果差。活性金属法（active metal method）因其在精密陶瓷连接中的独特优势，近年来在航空航天、汽车、电子真空、半导体制造等领域得到了广泛关注。AgCuTi系列钎料（AgCuTi braze alloy）是目前研究最多、应用最广泛的活性钎料之一，其特点是含有活性元素Ti，能够在真空钎焊过程中直接与陶瓷表面反应，提高液态钎料在陶瓷表面的润湿性，促进陶瓷与金属的连接。

本研究的目的是通过系统研究Ti含量对AgCuTi钎料在氧化铝陶瓷（alumina ceramics）上润湿性和连接性能的影响，揭示AgCuTi/Al2O3反应层的形成机制，并为钎焊行业提供材料选择的参考数据。

研究流程
本研究分为以下几个主要步骤：

1. 材料制备
   研究团队通过真空雾化法（vacuum atomization）制备了四种不同Ti含量（2 wt%、3 wt%、3.75 wt%和4.6 wt%）的AgCuTi钎料粉末，并将其调制为钎料膏。钎料粉末的粒径范围为20 μm至45 μm。

2. 钎焊实验与润湿性测试
   使用制备的钎料膏在880℃下进行无氧铜（oxygen-free copper）与氧化铝陶瓷的真空钎焊实验，钎焊时间为30分钟。同时，进行了钎料膏在氧化铝陶瓷上的润湿性实验。实验过程中，真空度保持在1×10⁻³ Pa以下，以防止钎料氧化失效。

3. 微观结构与润湿性分析
   通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和透射电子显微镜（TEM）对钎料和接头的微观结构及润湿性进行了分析。此外，使用自行设计的夹具对钎焊接头的剪切强度进行了测试。

4. 热力学计算与动力学分析
   基于热力学计算和动力学分析，绘制了反应层产物与Ti含量变化的关系图，以探索AgCuTi钎料在氧化铝陶瓷上的反应和润湿机制。

主要结果
1. Ti含量对钎料微观结构的影响
随着Ti含量的增加，钎料粉末中Cu-Ti金属间化合物的比例显著增加。当Ti含量为2 wt%时，钎料主要由Ag富集相和Cu富集相组成；当Ti含量增加到3 wt%和3.75 wt%时，钎料中出现了Cu4Ti3金属间化合物；当Ti含量为4.6 wt%时，钎料中主要形成了CuTi金属间化合物。

1. Ti含量对钎焊接头微观结构的影响
   Ti含量对接头的钎焊层和反应层结构有显著影响。当Ti含量为2 wt%时，反应层主要由TiO组成；当Ti含量为3 wt%时，反应层由TiO和Ti3Cu3O组成；当Ti含量为3.75 wt%时，反应层由Ti3O2和Ti3Cu3O组成；当Ti含量为4.6 wt%时，反应层完全由Ti3Cu3O组成。

2. Ti含量对剪切强度的影响
   随着Ti含量在2 wt%至4.6 wt%范围内增加，Cu/AgCuTi/Al2O3接头的剪切强度逐渐提高。当Ti含量为4.6 wt%时，接头的剪切强度达到最高值，为53 MPa。

3. 润湿性与反应机制
   随着Ti含量的增加，钎料在氧化铝陶瓷上的润湿性显著改善，润湿角从29°降至7°。Ti3Cu3O的生成是促进润湿的关键因素，其具有较高的金属化程度，能够有效改善钎料与陶瓷的界面结合。

结论
本研究表明，Ti含量对AgCuTi钎料在氧化铝陶瓷上的润湿性和连接性能具有显著影响。随着Ti含量的增加，反应层的结构从单一的TiO层逐渐转变为Ti3Cu3O层，接头的剪切强度也随之提高。当Ti含量为4.6 wt%时，钎料在氧化铝陶瓷上的润湿性达到最佳状态，润湿角仅为7°，接头的剪切强度也达到最高值。研究结果为AgCuTi钎料在高温环境中的应用提供了重要的理论和实验数据参考。

研究亮点
1. 重要发现
- Ti含量显著影响AgCuTi/Al2O3反应层的组成和结构，进而影响钎料的润湿性和接头的剪切强度。 - Ti3Cu3O的生成是促进钎料在氧化铝陶瓷上润湿的关键因素。

1. 方法创新

   • 通过真空雾化法制备了不同Ti含量的AgCuTi钎料粉末，并系统研究了其润湿性和连接性能。
   • 使用自行设计的夹具对接头的剪切强度进行了测试，确保了实验结果的准确性。

2. 研究意义

   • 本研究为优化AgCuTi钎料的成分设计提供了理论依据，有助于提高陶瓷与金属连接的性能。
   • 研究结果在航空航天、汽车、电子真空等领域具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容
本研究还通过热力学计算和动力学分析，揭示了Ti含量对AgCuTi/Al2O3反应层形成机制的影响，为理解活性钎料在陶瓷上的润湿行为提供了新的视角。此外，研究团队提出的Ti3Cu3O生成机制为未来开发高性能钎料提供了重要的理论支持。

这篇报告详细介绍了研究的背景、方法、结果和意义，为相关领域的研究人员提供了全面的参考。