Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію
Наведено результати експериментального дослідження методом високошвидкісної
 профільної кінозйомки (до 5000 кадр/с) у вакуумі при 1000°C кінетики змочування та
 розтікання розплаву Cu—Sn—Ti по поверхнях керамічних матеріалів із нітриду
 кремнію Si3N4.-------------------------...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4370 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію / М.Ф. Григоренко, В.В. Полуянська, Є.П. Черніговцев // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2008. — № 41. — С. 3-8. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859993184177750016 |
|---|---|
| author | Григоренко, М.Ф. Полуянська, В.В. Черніговцев, Є.П. |
| author_facet | Григоренко, М.Ф. Полуянська, В.В. Черніговцев, Є.П. |
| citation_txt | Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію / М.Ф. Григоренко, В.В. Полуянська, Є.П. Черніговцев // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2008. — № 41. — С. 3-8. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| description | Наведено результати експериментального дослідження методом високошвидкісної
профільної кінозйомки (до 5000 кадр/с) у вакуумі при 1000°C кінетики змочування та
розтікання розплаву Cu—Sn—Ti по поверхнях керамічних матеріалів із нітриду
кремнію Si3N4.------------------------------------
The wetting and spreading kinetics of Cu—Sn—Ti melt over silicon nitride
surfaces was studied by means of a high-speed profile filming (up to
5000 frames/s) in a vacuum at 1000°C.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:33:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
Раздел I
ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ
И ТВЕРДЫХ ТЕЛ, СМАЧИВАНИЕ, АДГЕЗИЯ
УДК 548.52
М. Ф. Григоренко, В. В. Полуянська, Є. П. Черніговцев*
ПРОЦЕСИ ШВИДКІСНОГО ЗМОЧУВАННЯ ТА РОЗТІКАННЯ
У СИСТЕМІ АДГЕЗІЙНО-АКТИВНИЙ МЕТАЛІЧНИЙ
РОЗПЛАВ НІТРИД КРЕМНІЮ
Наведено результати експериментального дослідження методом високошвидкісної
профільної кінозйомки (до 5000 кадр/с) у вакуумі при 1000 оС кінетики змочування та
розтікання розплаву Cu—Sn—Ti по поверхнях керамічних матеріалів із нітриду
кремнію Si3N4.
Вступ
Серед досліджень кінетики змочування та розтікання високо-
температурних розплавів по твердих поверхнях більша увага в останні
роки приділялась відносно повільним процесам (з часом розтікання від
хвилин до годин), наприклад, для припоїв на основі Al та Ni по оксиду
алюмінію та сталях [1], керамічних систем (Cu—Si)—SiC [2], (Ag—Cu—
Ti)—SiC [3], Al—Si3N4 [4]. Процеси швидкого та надшвидкого розтікання
розплавів (з часом розтікання до 1⋅10-3 с) вивчені у значно меншому обсязі
та в більшості своїй для систем метал—метал, наприклад [5—7] (щодо
загальної класифікації розтікання на “повільне” та “швидке” див. [8]).
Раніше нами вивчалась кінетика швидкісного змочування та розтікання
Ni, Ni—Pd, Ni—Pd—Ti розплавів по поверхнях підкладок із таких
керамічних матеріалів, як карбід кремнію та скловуглець [9], та розплавів
Cu—Sn—Ti по поверхні α-Al2O3 (сапфіру) [10]. Являє інтерес розповсю-
дити подібні дослідження, які дають важливу інформацію щодо
механізмів хімічного реакційного змочування, на процеси у високотемпе-
ратурних системах адгезійно-активний металічний розплав—кераміка на
основі нітриду бору, нітриду кремнію, нітриду алюмінію. Зазначені
матеріали широко використовуються у сучасному матеріалознавстві,
* М. Ф. Григоренко — кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник, Інститут
проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, м. Київ; В. В. Полуянсь-
ка — науковий співробітник цієї ж установи; Є. П. Черніговцев — молодший науковий
співробітник цієї ж установи.
М. Ф. Григоренко, В. В. Полуянська, Є. П. Черніговцев, 2008
ISSN 0136. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2008. Вып. 41 4
відповідно, для виготовлення інструментів, мають застосування при
виготовленні робочих деталей та вузлів в енергетиці, машинобудуванні та
інших галузях техніки. У роботі [11] досліджувались процеси швидкісно-
го змочування та розтікання для нітриду бору. Мета даної роботи
вивчити зазначені процеси для нітриду кремнію (Si3N4). Додамо, що
раніше цей матеріал у такому аспекті не вивчався.
Методичні особливості проведення досліджень
Досліджували хімічно та адгезійно-активний сплав 46Cu4Sn
50Ti (% (ат.)), що може використовуватись як припій. З фізико-хімічної
точки зору та для кращого розуміння процесів змочування кінетичний
режим розтікання ввижається більш інтересним та важливим, ніж
гідродинамічні аспекти течії рідини та транспортного опору. Тому
основна увага у даній роботі була приділена хімічним кінетичним
процесам змочування та розтікання.
Експерименти по вивченню змочування та розтікання проводили у
вакуумі (2—4)⋅10-3 Па при 1000 °С з використанням устаткування, що було
розроблене раніше [12, 13]. Краплі досліджуваних сплавів плавили та
формували in situ на інертних підкладках (що не змочуються та не
взаємодіють з даним сплавом) із фториду кальцію. Зразки виготовляли із
металів високої чистоти, переплавлених у вакуумі. Об’єми крапель
дорівнювали у середньому 0,01 см3. Досліджувані підкладки — пластинки
нітриду кремнію (α-Si3N4) — шліфували та полірували алмазними кругами
та порошками. Середня шорсткість поверхонь підкладок після поліруван-
ня складала 0,03—0,04 мкм. Експерименти здійснювали з використанням
методу профільної високошвидкісної кінозйомки (до 5000 кадр/с) (більш
детально методика експериментів та кінозйомки описана у попередніх
роботах, наприклад [9—11].
Результати досліджень та їх обговорення
Зміни у часі динамічних контактних кутів для системи (Cu—Sn—Ti)—
нітрид кремнію наведено на рис. 1, а. Як видно, досліджувана система
характеризується високою реакційністю зі швидким зниженням контакт-
ного кута на першій стадії після здійснення контакту і значно меншими
швидкостями змочування на наступних стадіях процесу. Так, у даній
системі (46Cu4Sn50Ti)—Si3N4 (при T = 1000 °С) величина θτ
знижується до ~110 град приблизно за 0,2 с і наступне розтікання розплаву
до кінцевого значення близько 6 град (виміряне по холодному зразку)
відбувається за ~7 с (отримано екстраполяцією кривої 2 на рис. 1, а
на кінцевий кут змочування). Додамо, що збіг кривих 1, 2 для двох
незалежних дослідів ілюструє добре відтворення результатів. Як показав
проведений аналіз, контактні кути виявляють експоненціальний спад з
часом (рис. 1, а, крива 2 та відповідне рівняння). Швидкості змочування на
швидкій стадії складають приблизно 1,0⋅103 град/с.
Часові залежності радіуса плями змочування для розплаву
46Cu4Sn50Ti (% (ат.)) на підкладках нітриду кремнію у процесі
розтікання розплаву наведені на рис. 1, б (криві 1, 2). Визначені із цих
ISSN 0136. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2008. Вып. 41 5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
50
100
150
200
Θ
, г
р
а
д
Час⋅103, с
1
2
Equation: y = A1*exp(-x/t1) + A2*exp(-x/t2) + A3*exp(-x/t3) + y0
R2 = 0,99737
а
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
r,
м
м
Час⋅103, с
1
2
Рис. 1. Часові залежності величини контактного кута (а) та
радіуса плями (б) змочування для двох незалежних дослідів
для розплаву 46Cu4Sn50Ti (% (ат.)) на підкладках із
нітриду кремнію у процесі розтікання розплаву: T = 1000 °C;
1 m = 0,065 г, v = 1300 кадр/с; 2 m = 0,039 г, v =
= 1000 кадр/с
Fig. 1. A plot of of wetting contact angle (а) and radius of wetting
spot vers. time (б) for active melt 46Cu4Sn50Ti (% (аt.)) on
silicon nitride supports for two independent experiments: T =
= 1000 °C; 1 m = 0,065 g, v = 1300 frames/s; 2 m = 0,039 g,
v = 1000 frames/s
б
а
ISSN 0136. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2008. Вып. 41 6
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
50
100
150
200
Θ
, г
р
а
д
Час⋅103, с
2
1
Рис. 2. Часові залежності контактного кута (а) та радіуса
плями (б) змочування для розплаву 46Cu 4Sn50Ti (% (ат.))
на підкладках із нітриду бору (1 m = 0,062 г,
v = 1500 кадр/с) та нітриду кремнію (2 m = 0,065 г, v =
= 1300 кадр/с) у процесі розтікання розплаву. T = 1000 °C
Fig. 2. A plot of wetting contact angle (а) and radius of wetting
spot (б) vers. time for active melt 46Cu4Sn50Ti (% (аt.)) on
boron nitride (1 m = 0,062 g, v = 1500 frames/s) and silicon
nitride (2 m = 0,065 g, v = 1300 frames/s supports) supports.
T = 1000 °C
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
r,
м
м
Час⋅103, с
1 2
а
б
ISSN 0136. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2008. Вып. 41 7
залежностей початкові швидкості розтікання складають приблизно
22 см/с. Порівняння з дослідженими раніше керамічними підкладками, де
були зафіксовані більші швидкості розтікання розплаву, утруднено через
нижчу температуру у даному досліді. Зазначимо, що спостережувана
розбіжність кривих 1 та 2 (рис. 1, б) для двох різних дослідів пояснюється,
мабуть, відмінністю мас крапель (приблизно у два рази).
На рис. 2, а, б з метою порівняння наведено часові залежності кутів
змочування та радіусів плям змочування для раніше досліджених нітридів
бору та кремнію. Як видно, із двох досліджених нітридів Si3N4 виявляє
більш повільну, “загальмовану” кінетику змочування, хоча змочується, в
цілому, краще, ніж BN [11] (рис. 2, а). У той самий час розтікання
крапель сплавів CuSnTi приблизно однакових мас для обох підкладок
відбувається схожим чином (рис. 2, б).
Висновки
Методом високошвидкісної профільної кінозйомки проведено експери-
ментальне дослідження кінетики швидкого нерівноважного змочування та
розтікання адгезійно-активного розплаву 46Cu4Sn50Ti (% (ат.))
по поверхнях керамічного матеріалу із нітриду кремнію. Встановлено, що
контактні кути виявляють експоненційний спад із часом; швидкості
змочування складають приблизно 1,0⋅103 град/с. Характерним є швидке
зниження контактного кута на першій стадії після здійснення контакту і
значно менші швидкості змочування на наступних стадіях процесу, що в
якісному відношенні подібне отриманим раніше даним для інших
керамічних матеріалів. Із їх аналізу та порівняння з попередніми
результатами вірогідним механізмом, котрий лімітує переміщення рідини
на стадії швидкого розтікання, є хімічна взаємодія рідина—тверде тіло
(тобто утворення хімічних зв’язків з близьким до характеристичного
часом ~10-13 с).
1. Naka M., Kubo M., Okamoto I. Wettability of silicon nitride by
aluminium, copper and silver // J. Mater. Sci. Lett. — 1987. — 6,
No. 8. — P. 965—966.
2. Nicolas M. G., Peteves S. D. The kinetics of liquid braze spreading //
High Temperature Capillarity / Ed. by N. Eustathopoulos: Proc. of an
Internat. conf. Bratislava, Slovakia, 1994. — Р. 18—27.
3. Rado C., Rocabois P., Kalogeropoulou S., Eustathopoulos N. Kinetics of
wetting of Cu—Si alloys on monocrystalline α-SiC // Ibid. — Р. 143—
147.
4. Chung Y-S., Iseki T. // Ceram J. Soc. Jap. Internat. Ed. — 1990. — 98. —
P. 583.
5. Попель С. И. Кинетика растекания расплавов по твердым поверхнос-
тям и кинетика смачивания // Aдгезия расплавов и пайка материа-
лов. — 1976. — № 1. — С. 3—28.
6. Найдич Ю. В., Забуга В. Р., Перевертайло В. M. Температурная
зависимость кинетики растекания в системах с различным типом
взаимодействия контактирующих фаз // Там же. — 1992. —
№ 27. — С. 23—34.
ISSN 0136. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2008. Вып. 41 8
7. Eременко В. Н., Koстрова Л. И., Лeсник Н. Д. Влияние взаимной
растворимости контактирующих фаз на кинетику растекания в
системе железо—медь // Адгезия расплавов и пайка материалов. —
1992. — № 28. — С. 12—17.
8. Найдич Ю. В. О межфазных поверхностных энергиях и краевых
углах смачивания твердых тел жидкостью в равновесных и
неравновесных системах // Журн. физ. химии. — 1968. — 8. —
С. 1946—1951.
9. Найдіч Ю. В., Григоренко М. Ф., Полуянська В. В. Кінетика змочу-
вання та розтікання Ni та NiPd розплавів по поверхнях карбіду крем-
нію та скловуглецю // Адгезия расплавов и пайка материалов. —
1999. — № 34. — С. 18—26.
10. Григоренко М. Ф., Полуянська В. В., Черніговцев Є. П., Найдіч Ю. В.
Вивчення кінетики надшвидких процесів змочування та розтікання у
системах активний металічний розплав — керамічна поверхня // Тез.
докл. Международ. конф. “Современное материаловедение:
достижения и проблемы”, Киев, Украина, 2005. — С. 623—624.
11. Григоренко М. Ф., Полуянська В. В., Черніговцев Є. П. Дослідження
кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів
Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору //
Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2007. — № 40. —
С. 20—25.
12. Найдич Ю. В., Перевертайло В. M., Неводник Г. М. Изучение
кинетики растекания металлов по твердым поверхностям //
Порошковая металлургия. — 1972. — № 7. — С. 51—55.
13. Найдич Ю. В., Перевертайло В. M., Неводник Г. M. Автоматизиро-
ванная установка для изучения сверхбыстрых процессов растекания
металлических расплавов // Завод. лаб. — 1976. — № 1. — С. 39—40.
Надійшла 01.11.08
Grigorenko M., Poluyanskaya V., Chernigovtsev E.
High-speed wetting and spreading processes in adhesive-active metal
melt—silicon nitride systems
The wetting and spreading kinetics of Cu—Sn—Ti melt over silicon nitride
surfaces was studied by means of a high-speed profile filming (up to
5000 frames/s) in a vacuum at 1000 °C.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4370 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0136-1732 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:33:02Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Григоренко, М.Ф. Полуянська, В.В. Черніговцев, Є.П. 2009-10-23T11:20:18Z 2009-10-23T11:20:18Z 2008 Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію / М.Ф. Григоренко, В.В. Полуянська, Є.П. Черніговцев // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2008. — № 41. — С. 3-8. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 0136-1732 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4370 548.52 Наведено результати експериментального дослідження методом високошвидкісної
 профільної кінозйомки (до 5000 кадр/с) у вакуумі при 1000°C кінетики змочування та
 розтікання розплаву Cu—Sn—Ti по поверхнях керамічних матеріалів із нітриду
 кремнію Si3N4.------------------------------------ The wetting and spreading kinetics of Cu—Sn—Ti melt over silicon nitride
 surfaces was studied by means of a high-speed profile filming (up to
 5000 frames/s) in a vacuum at 1000°C. uk Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію High-speed wetting and spreading processes in adhesive-active metal melt—silicon nitride systems Article published earlier |
| spellingShingle | Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію Григоренко, М.Ф. Полуянська, В.В. Черніговцев, Є.П. Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия |
| title | Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію |
| title_alt | High-speed wetting and spreading processes in adhesive-active metal melt—silicon nitride systems |
| title_full | Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію |
| title_fullStr | Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію |
| title_full_unstemmed | Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію |
| title_short | Процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію |
| title_sort | процеси швидкісного змочування та розтікання у системі адгезійно-активний металічний розплав — нітрид кремнію |
| topic | Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия |
| topic_facet | Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4370 |
| work_keys_str_mv | AT grigorenkomf procesišvidkísnogozmočuvannâtaroztíkannâusistemíadgezíinoaktivniimetalíčniirozplavnítridkremníû AT poluânsʹkavv procesišvidkísnogozmočuvannâtaroztíkannâusistemíadgezíinoaktivniimetalíčniirozplavnítridkremníû AT černígovcevêp procesišvidkísnogozmočuvannâtaroztíkannâusistemíadgezíinoaktivniimetalíčniirozplavnítridkremníû AT grigorenkomf highspeedwettingandspreadingprocessesinadhesiveactivemetalmeltsiliconnitridesystems AT poluânsʹkavv highspeedwettingandspreadingprocessesinadhesiveactivemetalmeltsiliconnitridesystems AT černígovcevêp highspeedwettingandspreadingprocessesinadhesiveactivemetalmeltsiliconnitridesystems |