Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав

Проведено комплексне дослідження міжфазної взаємодії, адгезії та змочування у вакуумі металічними розплавами керамічних матеріалів на основі діоксиду олова. Встановлено особливості процесів змочування SnO₂-підкладок подвійними та потрійними сплавами, що містять адгезійно-активні компоненти. Отримано...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Найдіч, Ю.В., Полуянська, В.В., Сидоренко, Т.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України 2017
Schriftenreihe:	Адгезия расплавов и пайка материалов
Schlagworte:	Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160542
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав / Ю.В. Найдіч, В.В. Полуянська, Т.В. Сидоренко // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2017. — Вып. 50. — С. 3-17. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-160542
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1605422019-11-09T01:25:42Z Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав Найдіч, Ю.В. Полуянська, В.В. Сидоренко, Т.В. Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия Проведено комплексне дослідження міжфазної взаємодії, адгезії та змочування у вакуумі металічними розплавами керамічних матеріалів на основі діоксиду олова. Встановлено особливості процесів змочування SnO₂-підкладок подвійними та потрійними сплавами, що містять адгезійно-активні компоненти. Отримано концентраційні, часові та температурні залежності крайових кутів змочування для низки металевих розплавів на SnO₂. Досліджено мікроструктуру зони контакту кераміка—метал. Проведено комплексное исследование межфазного взаимодействия, адгезии и смачивания в вакууме металлическими расплавами керамических материалов на основе диоксида олова. Установлены особенности процессов смачивания подложек SnO₂ двойными и тройными сплавами, которые содержат адгезионно-активные компоненты. Получены концентрационные, временные и температурные зависимости краевых углов смачивания для ряда металлических расплавов на SnO₂. Исследована микроструктура зоны контакта керамика—металл. A detailed study of the interfacial interaction, adhesion and wetting of ceramic materials based on tin dioxide whith metal melts in vacuum was performed. Specific features of wetting processes SnO₂-substrates by double and triple alloys containing adhesion-active components were established. Concentration, temporal and temperature dependences of contact angles for a number of metallic melts on SnO₂ were obtained. The microstructure of the ceramic-metal contact zone was investigated. 2017 Article Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав / Ю.В. Найдіч, В.В. Полуянська, Т.В. Сидоренко // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2017. — Вып. 50. — С. 3-17. — Бібліогр.: 18 назв. — укр. 0136-1732 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160542 546.811:549.5:541.1 uk Адгезия расплавов и пайка материалов Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия
spellingShingle	Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия Найдіч, Ю.В. Полуянська, В.В. Сидоренко, Т.В. Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав Адгезия расплавов и пайка материалов
description	Проведено комплексне дослідження міжфазної взаємодії, адгезії та змочування у вакуумі металічними розплавами керамічних матеріалів на основі діоксиду олова. Встановлено особливості процесів змочування SnO₂-підкладок подвійними та потрійними сплавами, що містять адгезійно-активні компоненти. Отримано концентраційні, часові та температурні залежності крайових кутів змочування для низки металевих розплавів на SnO₂. Досліджено мікроструктуру зони контакту кераміка—метал.
format	Article
author	Найдіч, Ю.В. Полуянська, В.В. Сидоренко, Т.В.
author_facet	Найдіч, Ю.В. Полуянська, В.В. Сидоренко, Т.В.
author_sort	Найдіч, Ю.В.
title	Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав
title_short	Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав
title_full	Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав
title_fullStr	Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав
title_full_unstemmed	Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав
title_sort	особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем sno₂—металічний розплав
publisher	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160542
citation_txt	Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав / Ю.В. Найдіч, В.В. Полуянська, Т.В. Сидоренко // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2017. — Вып. 50. — С. 3-17. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.
series	Адгезия расплавов и пайка материалов
work_keys_str_mv	AT najdíčûv osoblivostíadgezíjnokapílârnihprocesívuvakuumnomuseredoviŝídlâsistemsno2metalíčnijrozplav AT poluânsʹkavv osoblivostíadgezíjnokapílârnihprocesívuvakuumnomuseredoviŝídlâsistemsno2metalíčnijrozplav AT sidorenkotv osoblivostíadgezíjnokapílârnihprocesívuvakuumnomuseredoviŝídlâsistemsno2metalíčnijrozplav
first_indexed	2025-07-14T13:08:58Z
last_indexed	2025-07-14T13:08:58Z
_version_	1837627908391174144
fulltext	Раздел I ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ, СМАЧИВАНИЕ, АДГЕЗИЯ УДК 546.811:549.5:541.1 Ю. В. Найдіч, В. В. Полуянська, Т. В. Сидоренко* ОСОБЛИВОСТІ АДГЕЗІЙНО-КАПІЛЯРНИХ ПРОЦЕСІВ У ВАКУУМНОМУ СЕРЕДОВИЩІ ДЛЯ СИСТЕМ SnO2—МЕТАЛІЧНИЙ РОЗПЛАВ Проведено комплексне дослідження міжфазної взаємодії, адгезії та змочування у вакуумі металічними розплавами керамічних матеріалів на основі діоксиду олова. Встановлено особливості процесів змочування SnO2-підкладок подвійними та потрійними сплавами, що містять адгезійно-активні компоненти. Отримано концентраційні, часові та температурні залежності крайових кутів змочування для низки металевих розплавів на SnO2. Досліджено мікроструктуру зони контакту кераміка—метал. Ключові слова: діоксид олова, змочування, контактна взаємодія, робота адгезії. Вступ Діоксид олова (мінерал каситерит) з рутіл-тетрагональною кристалічною граткою є особливо цікавим багатофункціональним об’єктом завдяки його специфічній атомно-електронній структурі. Він є напівпровідником з достатньо високим рівнем електропровідності n-типу (ширина забороненої зони ~3,54 eВ [1]). Поєднання цих властивостей зумовлює широке практичне застосування оксиду олова у різних технічних галузях [2]. Зокрема: композити Ag—SnO2 — електроконтактні матеріали, що характеризуються високою здатністю до дугогасіння; є ефективні газові сенсори (плівки SnO2 товщиною ~50 нм), зокрема для детектування токсичних домішок (СО) у повітрі; * Ю. В. Найдіч — академік НАН України, доктор технічних наук, професор, завідуючий відділу, Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ; В. В. Полуянська — науковий співробітник цієї ж установи; Т. В. Сидоренко — кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник цієї ж установи.  Ю. В. Найдіч, В. В. Полуянська, Т. В. Сидоренко, 2017 ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 4 покриття SnO2 знижує тертя та знос деяких матеріалів (коефіцієнт тертя змінюється в діапазоні 0,3—0,03); “космічне” застосовування: електропровідне покриття SnO2 на поверхні космічних кораблів захищає їх поверхню від корозійної дії заряджених пилоподібних частинок у космосі. Практично у кожному випадку необхідно з’єднати металеві струмопідводи (електроди) з поверхнею SnO2, що найкраще здійснюється методом паяння металевими розплавами — припоями, які змочують поверхню SnO2. На даний час існують лише поодинокі експериментальні дослідження [3, 4] цієї тематики, що виконані для одного чи двох металів (Ag, Sn) в значно обмежених температурно-газових умовах. Фундаментальні закономірності адгезійної взаємодії метал—SnO2 не встановлені. Отже, метою представленої роботи є отримання експериментальних даних щодо адгезії та ступеня змочування оксиду олова різними металами та сплавами в вакуумних умовах, вивчення мікроструктури зони контакту та механізму процесів на міжфазних границях кераміка—метал. Методика експерименту та матеріали Експерименти по змочуванню кераміки на основі діоксиду олова розплавами чистих металів проводилися у вакуумному середовищі методом “лежачої краплі”, який був детально описаний в роботах [5—7]. Відомо, що фізичні властивості поверхні підкладки (наприклад, шорсткість, мікропори, адсорбційні шари, попереднє очищення тощо) можуть змінити режими змочування та розтікання рідини на поверхні. Для експериментів по змочуванню використано зразки кераміки, що спікалися з полікристалічного порошку SnO2. Враховуючи, що спосіб отримання керамічного матеріалу часто впливає на деякі властивості матеріалу, зокрема його пористість, а це, у свою чергу, зумовлює сферу його застосування [8], для експериментів вибрано два типи кераміки: високопориста та високощільна. Високопористу кераміку на основі діоксиду олова отримано спіканням на повітрі за температури 1623 К та витримки 2 год попередньо відпресованого за 40 МПа порошку SnO2 (чда). Така кераміка (пористість ~40%) має велику кількість структурних дефектів й може використовуватися, зокрема, в газових сенсорах або як каталізатор. Високощільну кераміку на основі діоксиду олова, як показали чисельні дослідження [9], можна отримати, додаючи малу кількість домішок іншої речовини, частіше за все іншого оксиду. Отже, нами для експериментів по змочуванню використано кераміку, яку одержано спіканням на повітрі за температури 1623 К та витримки 2 год попередньо відпресованої за 40 МПа суміші порошків SnO2 (чда) та 1% (мас.) Fe2O3 (чда). Отримані зразки кераміки мали пористість близько 5%, їх можна використовувати, наприклад, для створення приладів як основу для високотемпературних електродів. Крім того, одержано керамічні зразки середньої щільності спіканням на повітрі за температури 1173 К та витримки 3 год попередньо відпресованої за 40 МПа суміші порошків SnO2 (чда) з 0,5% (мас.) CuO (чда). ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 5 Керамічні зразки діаметром 20 мм і товщиною 3 мм були заздалегідь відшліфовані та відполіровані (шорсткість поверхні складала 0,08 мкм). Досліджувані чисті метали мали чистоту не гірше 99,99% основної речовини. Сплави отримували завдяки нагріву вихідних металів на поверхні твердої фази в контакті один з одним (Cu—Ni, Cu—Si, Cu—Ge, Ag—Ge, Ag—Si) та переплавленням в графітових тиглях (Ag—Cu, Ag—Sn, Cu—–Sn). Результати експериментів та їх обговорення Змочування та контактна взаємодія SnO2-кераміки з чистими металами (Au, Ag, Cu, Sn, Pb, In, Ga, Al) вивчалися в вакуумі в діапазоні температур плавлення цих металів. Отримані значення крайових кутів змочування металів на поверхні діоксиду олова у порівнянні з відомими літературними даними, наведеними в роботі [10], представлені на рис. 1 та 2, а також в табл. 1. Робота адгезії для деяких металів розрахована за рівнянням [5] Wa = σрг (1 + cos θ), (1) де σрг — міжфазна енергія на границях поділу рідина—газ; θ — крайовий кут змочування. 0 10 20 30 40 50 60 50 60 70 80 90 100 Час витримки, хв К р а й о в и й к у т з м о ч у в а н н я , г р а д Рис. 1. Залежності крайових кутів змочування міддю керамічних підкладок SnO2 (1) та SnO2— 1% (мас.) Fe2O3 (2) від часу витримки (вакуум, Т = 1373 К) Fig. 1. Time dependences of contact angle for ceramic substrate by copper melt SnO2 (1) and SnO2— 1% (mass.) Fe2O3 (2) (vacuum, T = 1373 K) 1 2 ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 6 1 2 3 Рис. 2. Рідкі краплі металів на поверхні діоксиду олова: 1 — срібло (1273 К); 2 — мідь (1373 К); 3 — олово (1073 К) Fig. 2. Liquid metal drops on SnO2 surface: 1 — silver (1273 К); 2 — copper (1373 К); 3 — tin (1073 К) Значення поверхневого натягу взяті з роботи [11] з урахуванням умов проведення експериментів. Зокрема, температурна залежність поверхне- вого натягу багатьох рідких металів включала різницю температур експерименту та в точці плавлення даного металу: σ = σпл – (dσ/dt) (t – tпл), (2) де σ — поверхневий натяг металу. Т а б л и ц я 1. Змочування діоксиду олова деякими чистими металами у вакуумі T a b l e 1. Wetting of tin dioxide by pure metal melts in vacuum Крайовий кут θ, град Метал Темпе- ратура, К експери- ментальні дані літератур- ні дані (гелій) Робота адгезії Wа, мДж/м2 ∆G0 оксиду на 0,5 моль О2, кДж/моль Au 1273 125 — 479 117,7 Ag 1273 124 — 557 133,6 1373 52 133 [10] 2068 –35,8 Cu 1383 52 127 [10] 873 138 — 513–803 140 134 [10] 973 138 — 1073 92 108 [10] 1173 68 70 [10] 1273 66 — 560 –163 Sn 1323 56 — 1073 120 — 1173 80 — In 1273 30 — 1038 –180 1073 110 — Ga 1173 25 — 1363 –243 Pb 1073 130 — 159 –11 Ni 1773 18 — 3375 –42,2 1373 144 — Al 1423 140 — 201 –212 Як свідчать дані експериментальних досліджень у вакуумі, більшість чистих металів не змочують поверхню діоксиду олова (θ > 90 град). ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 7 Помітно кореляцію між спорідненістю металу до кисню та змочуванням. Мідь та олово, на відміну від більшості металів, за високих температур змочують поверхню SnO2-кераміки, незважаючи на значення енергії Гіббса ∆G. Показано, що на значення крайових кутів змочування суттєвий вплив здійснює температура експерименту та час витримки. Для міді спостерігається досить специфічна поведінка: в вакуумі за температури 1373 К рідкий метал розтікається по поверхні SnO2, утворюючи крайовий кут 52 град. Щоб більш детально дослідити цей процес, вивчено кінетику розтікання Cu по поверхні діоксиду олова (рис. 3). Так, вихідні крайові кути змочування міддю SnO2-кераміки за температури 1373 К становлять 95 град. Після витримки зразків за даних умов близько 10 хв крайовий кут зменшується до 70 град. Остаточне значення крайового кута (52 град) встановлюється вже після витримки 30 хв. Як зазначено в роботі [12], в процесі високотемпературного нагріванні у вакуумі можливе випаровування SnO2 у вигляді SnO. Отже, ефективно відбувається видалення кисню не лише з поверхні, а й з кристалічної ґратки. Кисень з підкладки розчиняється в розплавленій міді й діє як адгезійно-активна добавка, знижуючи її поверхневий натяг (з 1370 мДж/м2 для чистої міді до 530 — для розплаву Cu, який містить 0,88% (мас.) кисню), що може зумовлювати значне зменшення крайового кута змочування. Досліджено температурну та часову залежності змочування SnO2-кераміки розплавом чистого олова. На рис. 4 представлено результати експериментів. Показано, що в інтервалі температур 513— 1073 К олово не змочує поверхню кераміки (θ > 90 град), це узгоджується з даними роботи [10]. Залежність крайового кута змочування в системі SnO2—Sn від температури є нелінійною, що може свідчити про хімічну взаємодію розплав—підкладка. Розрахунок зміни енергії Гіббса для реакції SnO2 + Sn = 2SnO (3) 1 2 3 Рис. 3. Рідкі краплі розплавленої міді на поверхні SnO2-кераміки за різних витримок (хв): 1 — 0; 2 — 10; 3 — 30 Fig. 3. Liquid copper drops on SnO2-ceramics at different holding time (min): 1 — 0; 2 — 10; 3 — 30 ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 8 0 20 40 60 80 60 80 100 120 140 900 1050 1200 1350К р а й о в и й к у т з м о ч у в а н н я , г р а д Тем пер ату ра, К Час витримки, хв Рис. 4. Залежності крайового кута змочування від температури та часу витримки для системи SnO2—Sn Fig. 4. Temperature and time dependences of contact angle for ceramic substrate on base of SnO2 by tin melt показав, що ймовірність перебігу такого процесу суттєво залежить від температури експерименту (табл. 2). При співставленні цих даних з результатами по змочуванню SnO2 рідким оловом (рис. 4) встановлено певну кореляцію: при позитивних значеннях ∆G0 реалізується погане змочування, при негативних (тобто при протіканні реакції (3)) — спостерігається поліпшення змочування в системі. Враховуючи значення ∆G реакцій, що можуть протікати на адгезійних границях при контакті SnO2 з деякими іншими металами, наприклад германієм і кремнієм, SnO2 + Ge = SnO + GeO; (4) SnO2 + Si = SnO + SiO, (5) подібні метали можуть бути використані як адгезійно-активні добавки до сплавів, які є основою припоїв (для реакції (4) при температурі 1373 К ∆G0 = –376 кДж/моль) [13]. ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 9 Т а б л и ц я 2. Зміна енергії Гіббса ∆G реакції утворення SnO в залежності від температури експерименту [10] T a b l e 2. Temperature dependence of ∆G of reaction of SnO formation [10] T, K ∆G, кДж/моль 773 2,4 873 1,9 973 1,3 1073 0,6 1173 –0,08 1273 –0,86 1373 –1,71 1473 –2,26 1573 –3,64 Змочування у вакуумі діоксиду олова розплавами подвійних і потрійних систем на основі срібла та міді Відповідно до результатів досліджень, що наведені в табл. 1, метали (Cu, Ag, Au), які часто використовуютьcя як металічні електроди або як основа для них, досить погано змочують кераміку на основі діоксиду олова через невелику спорідненість до кисню у порівнянні з металом оксиду. З урахуванням цих даних нами проведено серію експериментів по змочуванню у вакуумі поверхні SnO2-кераміки розплавами подвійних систем на основі срібла та міді. Результати експериментів по змочуванню керамічних зразків розплавами срібла (Ag—Cu, Ag—Ge, Ag—Si, Ag—Sn) представлені в табл. 3. З точки зору практичного застосування однією з найцікавіших являється система Ag—Cu, яка є основою для багатьох паст і припоєв для металізації та паяння керамічних матеріалів електротехнічного призначення. Концентраційні залежності змочування діоксиду олова розплавами срібла, до складу яких входила різна кількість активного компонента (міді), досліджували у вакуумі 10–3 Па за температури 1373 К. Експериментальні дані наведені в табл. 3 та на рис. 5. Як слідує з даних експериментів по змочуванню, додавання міді до розплаву срібла суттєво знижує крайові кути змочування SnO2-кераміки (від 124 град для чистого срібла до 73 град для розплаву Ag—60Cu). Отже, мідь можна використовувати як адгезійно-активну добавку. Як зазначалося раніше, певний інтерес представляло дослідження систем, які містять германій та кремній (рис. 5, б—г). На рис. 5, б показано, що додавання германію до розплаву срібла суттєво впливає на змочування SnO2-кераміки. Навіть його невелика кількість (3% (ат.)) ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 10 Т а б л и ц я 3. Результати експериментів по змочуванню у вакуумі SnO2-кераміки розплавами подвійних систем на основі срібла T a b l e 3. Data of wetting experiments in vacuum of SnO2-ceramics by binary melts on Ag base Розплав Концентрація добавки в розплаві Ag, % (ат.) Темпера- тура, К Крайовий кут змочування, град Робота адгезії, Wа, мДж/м2 0 124 558 20 114 557 40 80 1129 60 73 1383 80 70 1590 Ag—Cu 100 1373 52 2068 0,5 96 1 90 2 88 3 62 Ag—Ge 5 1373 Інтенсивна хімічна взаємодія 5 110 11 97 Ag—Si 30 1373 45 10 89 812 20 82 786 50 70 765 Ag—Sn 80 1373 50 837 0 20 40 60 80 100 60 70 80 90 100 110 120 К р а й о в и й к у т з м о ч у в а н н я , г р а д СCu, % (ат.) Рис. 5, а Fig. 5, а а ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 11 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 60 80 100 120 К р а й о в и й к у т з м о ч у в а н н я , г р а д СCu, % (ат.) 0 10 20 30 40 60 80 100 120 К р а й о в и й к у т з м о ч у в а н н я , г р а д CSi, % (ат.) 0 20 40 60 80 40 60 80 100 120 К р а й о в и й к у т з м о ч у в а н н я , г р а д СSn,% (ат.) Рис. 5. Залежності крайового кута змочування SnO2- кераміки від вмісту міді (а), германію (б), кремнію (в) та олова (г) в розплаві срібла (вакуум, T = 1373 К) Fig. 5. Dependences of wetting contact angle for SnO2- ceramics by Ag—Cu melts on concentration of copper (а), of germanium (б), of silicon (в) and tin (г) (vacuum, T = 1373 К) б в г ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 12 знижує крайовий кут для чистого Ag зі 120 до 62 град, а при 5% (ат.) Ge спостерігається інтенсивна хімічна взаємодія розплаву з підкладкою. Тобто подібна система може застосовуватися для паяння лише при малих концентраціях германію. Як і очікувалося, за температури 1373 К у вакуумі добавка кремнію знижує крайові кути змочування в системі (Ag—Si)—SnO2. З вмістом кремнію 30% (ат.) крайовий кут змочування становить 45 град. З підвищенням температури до 1423 К в системі відбувається інтенсивна хімічна взаємодія з підкладкою діоксиду олова, що супроводжується утворенням газоподібних сполук SnO та SiO за реакцією (5). Додавання олова в розплав срібла (рис. 5, г) сприяє покращенню змочування SnO2-кераміки: вже 10% (ат.) олова спричиняють зміну змочуючої поведінки в системі (θ < 90 град). Отже, олово також є адгезійно-активною добавкою і подібні сплави можуть бути використані як основа припійних композицій для паяння SnO2-кераміки. Також нами досліджено капілярні та адгезійні характеристики низки подвійних сплавів на основі міді (Cu—Ni, Cu—Si, Cu—Ge, Cu—Sn), які знаходилися в контакті з діоксидом олова у вакуумі (табл. 4, рис. 6). Результати досліджень показали, що додавання до розплаву міді адгезійно-активних речовин (Si, Sn) сприяє зниженню крайових кутів змочування (до 45 град для Cu—30Si, до 70 град для Cu—70Sn). Найбільш перспективною для практичного використання виявилася система Cu—Ni (рис. 6). Додавання 5% (ат.) нікелю в розплав міді знижує крайові кути змочування в системі до 40 град, а для розплаву Cu—15Ni крайовий кут становить 22 град, що є достатньою умовою для отримання паяних з’єднань та металізаційних покриттів на поверхні SnO2-кераміки. 0 20 40 60 80 100 10 20 30 40 50 К р а й о в и й к у т з м о ч у в а н н я , г р а д C(Ni), % (ат.) Рис. 6. Залежність крайового кута змочування SnO2-кераміки від вмісту нікелю в розплаві міді (вакуум, T =1373 К) Fig. 6. Dependence of wetting contact angle for SnO2-ceramics by Cu—Ni melts on concentration of nicol (vacuum, T = 1373 K) ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 13 Т а б л и ц я 4. Результати експериментів по змочуванню у вакуумі SnO2-кераміки розплавами подвійних систем на основі міді T a b l e 4. Data of wetting experiments in vacuum of SnO2-ceramics by binary melts on Cu base Розплав Концентрація добавки в розплаві Cu, % (ат.) Температура, К Крайовий кут змочування, град Робота адгезії Wа, мДж/м2 0 1373 52 2068 5 40 2296 15 1423 22 2544 Cu—Ni 100 1773 18 3375 10 60 1868 20 60 1727 Cu—Si 30 1423 45 1674 0,5 32 1 30 2,5 40 Cu—Ge 5 1373 60 5 70 1610 10 80 1151 20 78 990 40 70 913 Cu—Sn 100 1373 56 560 Отже, дослідження процесів змочування у вакуумі керамічних матеріалів на основі SnO2 розплавами подвійних сплавів (Ag—Cu, Ag— Ge, Ag—Si, Ag—Sn, а також Cu—Ni, Cu—Si, Cu—Ge, Cu—Sn) показало, що при додаванні активних компонентів в металічний розплав відбувається зменшення крайових кутів змочування. Але цього в більшості випадків недостатньо для отримання міцних металізаційних покриттів і паяних з’єднань SnO2-кераміки з металами та керамікою. Теоретично, рідкий металічний припій заповнює паяльний зазор, якщо крайовий кут змочування θ буде <90 град. Однак для практики ця умова повинна бути сформульована більш точно: оптимальне значення крайового кута повинне знаходитися в інтервалі 15—20 град. Але кераміка, як правило, не змочується стандартними припійними сплавами [6, 7, 14—16] і для збільшення змочувальної активності припою до нього традиційно вводять певні металеві добавки титану, цирконію, ніобію та інші, що мають високу хімічну спорідненість до атомів твердої фази. Враховуючи ці дані, до металевих розплавів, досліджених раніше, додавали як активну добавку титан, який повинен був сприяти посиленню металокисневої взаємодії на міжфазній границі SnO2-кераміка—металіч- ний розплав (табл. 5). Як слідує з отриманих даних, на відміну від досліджених раніше Al2O3 [17] та BaTiO3 [7], для діоксиду олова титан ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 14 1 2 3 Рис. 7. Рідкі краплі титановміщуючих розплавів на поверхні SnO2- кераміки за температури 1273 К: 1 — Ag—10Ti; 2 — (Cu—8,6Sn)—10Ti; 3 — Sn—3Ti Fig. 7. Liquid drops of titanium containing melts on SnO2-ceramics at 1273 К: 1 — Ag—10Ti; 2 — (Cu—8,6Sn)—10Ti; 3 — Sn—3Ti Т а б л и ц я 5. Результати експериментів по змочуванню у вакуумі SnO2-кераміки розплавами деяких титановміщуючих розплавів (Т = 1273 К) T a b l e 5. Data of wetting experiments in vacuum of SnO2-ceramics by some Ti-contained melts (Т = 1273 К) Металічний розплав Кераміка Крайовий кут змочування, град SnO2 108 SnO2—1% (мас.) Fe2O3 103 Ag—10Ti BaTiO3 67 SnO2 135 SnO2—1% (мас.) Fe2O3 129 Sn—3Ti Al 2O3 44 [16] SnO2 117 SnO2—1% (мас.) Fe2O3 110 (Ag—39Cu)—4Ti BaTiO3 88 [17] SnO2 121 SnO2—1% (мас.) Fe2O3 116 (Cu—8,6Sn)—10Ti BaTiO3 38 [17] слабко впливає на змочуючу поведінку в системі, крайові кути змочування в усіх досліджених нами системах складають >90 град (рис. 7). На міжфазній границі спостерігається досить невеликий перехідний шар (рис. 8). Рентгенофазовий аналіз зони контакту кераміка—Sn—3Ti виявив утворення на міжфазній границі нової сполуки Ti6Sn5, яка є результатом взаємодії титану, а не оксидів титану, з оловом в розплаві, що може свідчити про взаємодію титану з киснем підкладки. Отже, результати експериментів показали, що додавання адгезійно- активних добавок до складу розплавів сприяє зменшенню крайових кутів змочування, але цього недостатньо для використання їх як припоїв для з’єднання SnO2-кераміки. Крім того, титан “не працює” на поверхні ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 15 Рис. 8. Мікроструктура зони контакту SnO2- кераміки з розплавом Sn—3Ti (х250) Fig. 8. Microstructure of contact zone of SnO2- ceramics with Sn—3Ti melts (х250) діоксиду олова. Вирішити цю проблему можна, використовучи альтернативні методи легування припійних сплавів, зокрема, неметалічними електронегативними елементами VI—VII груп періодичної системи (O, S, Se, F, Cl, Br) з високою спорідненістю до електрона, які, розчиняючись в металі, зменшують поверхневу і міжфазну енергії в системі [18]. Висновки Враховуючи важливість і широкий спектр використання керамічних матеріалів на основі діоксиду олова, проведено комплексне дослідження міжфазної взаємодії, адгезії та змочування розплавленими металами та сплавами, а також аналіз отриманих даних на основі термодинамічних розрахунків та вивчення мікроструктури зони контакту кераміка—метал. Експериментальні дані по змочуванню у вакуумі чистими металами (Au, Ag, Cu, Sn, Pb, In, Ga, Ge, Al) показали, що більшість чистих металів не змочує SnO2-кераміку. При контакті у вакуумі за високих температур деяких металів (олова, германію, індію) з поверхнею діоксиду олова відбувається досить інтенсивна хімічна взаємодія. Досліджено кінетику змочування та міжфазної взаємодії олова та міді при контакті з SnO2- керамікою. Проведено серію експериментів по змочуванню у вакуумі SnO2- кераміки розплавами подвійних на основі срібла (Ag—Cu, Ag—Ge, Ag— Si, Ag—Sn) та міді (Cu—Ni, Cu—Si, Cu—Ge, Cu—Sn), а також деяких потрійних титановміщуючих сплавів (Ag—10Ti, Sn—3Ti, (Ag—39Cu)— 4Ti, (Cu—8,6Sn)—10Ti). Показано, що введення адгезійно-активних добавок до складу розплавів сприяє зменшенню крайових кутів змочування, але цього недостатньо для використання їх як припоїв для з’єднання SnO2-кераміки. Додавання до металічного розплаву адгезійної домішки титану, який має високу спорідненість до кисню твердої фази, не сприяло покращенню змочування в системі. Sn–3Ti SnО2 Перехідна зона ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 16 РЕЗЮМЕ. Проведено комплексное исследование межфазного взаимодействия, адгезии и смачивания в вакууме металлическими расплавами керамических материалов на основе диоксида олова. Установлены особенности процессов смачивания подложек SnO2 двойными и тройными сплавами, которые содержат адгезионно-активные компоненты. Получены концентрационные, временные и температурные зависимости краевых углов смачивания для ряда металлических расплавов на SnO2. Исследована микроструктура зоны контакта керамика—металл. Ключевые слова: диоксид олова, смачивание, контактное взаимодействие, работа адгезии. 1. Химическая энциклопедия. В 5-ти т. — М. : Научное изд-во “Большая российская энциклопедия”, 1992. — Т. 3. — 846 с. 2. Сидоренко Т. В. Діоксид олова: будова, властивості, застосування та перспективи подальшого дослідження його капілярних властивостей / Т. В. Сидоренко, В. В. Полуянська // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2015. — Вып. 48. — С. 15—48. 3. Денисова Л. Т. О катастрофическом окислении расплавов Ag––Sn / [Л. Т. Денисова, В. С. Биронт, В. М. Денисов и др.] // J. Siberian Federal University : Engineering and Technologies. –– 2009. –– No. 3. –– P. 283––293. 4. Ommer M. Wetting phenomena in Ag-based contact materials / [M. Ommer, U. E. Klotz, I. Fallheier et al.] // VI Inte. conf. High Temperature Capillarity, Athens, 2009. — P. 158. 5. Найдич Ю. В. Контактные явления в металлических расплавах. — Киев : Наук. думка, 1972. — 196 c. 6. Naidich Yu. V. Progress in Surface Membrane Science. — New York : Academic Press, Inc., 1981. — Р. 353—484. 7. Найдич Ю. В. Адгезия и контактное взаимодействие металлических расплавов с титанатом бария и другими перовскитными материалами / Ю. В. Найдич, Т. В. Сидоренко. — К. : Наук. думка, 2013. — 156 с. 8. Найдич Ю. В. Смачивание диоксида олова расплавами серебро–медь в воздушной среде / Ю. В. Найдич, Т. В. Сидоренко, Б. К. Лупин // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2015. — Вып. 48. — С. 11—14. 9. Гедакян Д. А. Физика спекания легированной окиси олова / [Д. А. Гедакян, Л. Т. Григорян, К. А. Костанян, Л. А. Мкртчян] // Стекло и керамика. –– 1976. –– № 12. –– С. 24––26. 10. Денисов В. М. Смачивание керамик на основе SnO2 некоторыми металлами / [В. М. Денисов, Л. Т. Антонова, В. П. Ченцов и др.] // Расплавы. –– 2008. –– № 1. –– C. 3––7. 11. Ниженко В. И. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов / В. И. Ниженко, Л. И. Флока. — М. : Металлургия, 1981. — 208 с. 12. Ивановская М. И. Изучение природы парамагнетизма в SnO2 / М. И. Ивановская, Е. А. Оводок // Свиридовские чтения: сб. ст. — Минск : БГУ, 2014. — С. 65—88. 13. Електронний ресурс: http://www.crct.polymtl.ca/fact../documentation/SGnucl/O-Sn ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2017. Вып. 50 17 14. Naidich Y. V. Advance in the theory of ceramic/liquid metal systems wettability. Peculiarity of contact processes for transition and non– transition metals // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2013. — Вып. 46. — С. 3—62. 15. O’Brian T. E. Effect of oxygen on the reaction between copper and sapphire // J. Amer. Ceram. Soc. — 1974. — 57, No. 8. — Р. 323—333. 16. Durov O. V. Wetting of some nonstoichiometric oxide ceramic materials by liquid metals / O. V. Durov, T. V. Sydorenko, Yu. V. Naidich // Proc. of E-MRS Fall Meeting, 2011. — P. 184—189. 17. Журавлев В. С. Причины образования различных титан-кислородных фаз при смачивании оксида алюминия металлическими титансодержащими растворами / В. С. Журавлев, М. А. Турчанин // Порошковая металлургия. — 1997. — № 3/4. — С. 27—33. 18. Naidich Yu. V. Wettability and brazing of iono—ionocovalent ceramic materials by metal alloys containing electronegative elements / [Yu. V. Naidich, V. P. Krasovskyy, O. V. Durov, T. V. Sydorenko] // Proc. of 6th Int. Brazing and Soldering conf. — Long Beach, CA, USA, 2015. — P. 40—48. Надійшла 11.09.17 Naidich Yu. V., Poluyanska V. V., Sydorenko T. V. Features of adhesive-capillary processes in SnO2-metal systems in vacuum environment A detailed study of the interfacial interaction, adhesion and wetting of ceramic materials based on tin dioxide whith metal melts in vacuum was performed. Specific features of wetting processes SnO2-substrates by double and triple alloys containing adhesion-active components were established. Concentration, temporal and temperature dependences of contact angles for a number of metallic melts on SnO2 were obtained. The microstructure of the ceramic-metal contact zone was investigated. Keywords: tin dioxide, wetting, contact interaction, work of adhesion.

Особливості адгезійно-капілярних процесів у вакуумному середовищі для систем SnO₂—металічний розплав

Institution

Ähnliche Einträge