Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик
Исследованы структура и морфология металлических нанопленок толщиной 30—100 нм из Ti, Nb, Cr, Ni, Mo, W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag, Au, нанесенных на высокоглиноземистую керамику и углеродсодержащие неорганические материалы, с использованием сканирующей и атомносиловой микроскопии. Определена смачиваемость...
Saved in:
| Published in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76197 |
| 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: | Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик / Ю.В. Найдич, И.И. Габ, Б.Д. Костюк, Т.В. Стецюк, Д.И. Куркова, С. В. Дукаров, А.П. Крышталь, О.С. Литвин // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1185-1197. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859650467657678848 |
|---|---|
| author | Найдич, Ю.В. Габ, И.И. Костюк, Б.Д. Стецюк, Т.В. Куркова, Д.И. Дукаров, С.В. Крышталь, А.П. Литвин, О.С. |
| author_facet | Найдич, Ю.В. Габ, И.И. Костюк, Б.Д. Стецюк, Т.В. Куркова, Д.И. Дукаров, С.В. Крышталь, А.П. Литвин, О.С. |
| citation_txt | Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик / Ю.В. Найдич, И.И. Габ, Б.Д. Костюк, Т.В. Стецюк, Д.И. Куркова, С. В. Дукаров, А.П. Крышталь, О.С. Литвин // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1185-1197. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Исследованы структура и морфология металлических нанопленок толщиной 30—100 нм из Ti, Nb, Cr, Ni, Mo, W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag, Au, нанесенных на высокоглиноземистую керамику и углеродсодержащие неорганические материалы, с использованием сканирующей и атомносиловой микроскопии. Определена смачиваемость этих пленок различной
толщины серебром и медью. Получены и испытаны на сдвиг твердофазные соединения Al2O3 и SiC, покрытые нанопленками Ti, Nb, Cr и Ni различной толщины, через серебряную и медную прокладки, а также паяные
соединения никелированных образцов из Al2O3 алюминиевым припоем.
Изготовлены опытные образцы керамических и сапфирокерамических
изделий с использованием платиновой нанопленки.
Досліджено структуру та морфологію металевих наноплівок завтовшки
30—100 нм із Ti, Nb, Cr, Ni, Mo, W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag, Au, яких нанесено
на високоглиноземисту кераміку та вуглецевовмісні неорганічні матеріяли, з використанням сканівної та атомово-силової мікроскопії. Визначено
змочуваність цих плівок різної товщини сріблом і міддю. Одержано та
випробувано на зсув твердофазні з’єднання Al2O3 і SiС, вкриті наноплівками Ti, Nb, Cr і Ni різної товщини через срібну й мідну прокладки, а також лютувані з’єднання нікльованих зразків з Al2O3 алюмінійовим прилютком. Виготовлено дослідні зразки керамічних та сапфірокерамічних виробів з використанням плятинової наноплівки.
The structure and morphology of Ti, Nb, Cr, Ni, Mo, W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag,
and Au metallic nanofilms with thicknesses of 30—100 nanometres deposited
onto alumina ceramics and carbon-containing inorganic materials are studied
with use of scanning and atomic-force microscopies. Wettability of these
films of various thicknesses with silver and copper is investigated. Solidphase
joints of Al2O3 and SiC coated by Ti, Nb, Cr and Ni nanofilms of various
thicknesses through silver and copper gaskets and also brazed joints of Al2O3
specimens coated by Ni using aluminium braze are fabricated. These specimens
are subjected to shearing test. Experimental specimens of ceramic and
sapphire-ceramic units with use of platinum nanofilm are manufactured.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:33:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
1185
PACS numbers: 68.08.Bc, 68.35.Np, 68.37.Hk, 68.37.Ps, 68.47.Gh, 68.55.J-, 81.05.Je
Исследование морфологических и капиллярных свойств
металлических нанопленок на оксидной и карбидной
керамике и их влияние на прочность паяных и сварных
соединений этих керамик
Ю. В. Найдич, И. И. Габ, Б. Д. Костюк, Т. В. Стецюк, Д. И. Куркова,
С. В. Дукаров
*, А. П. Крышталь
*, О. С. Литвин
**
Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины,
ул. Кржижановского, 3,
03680, ГСП, Киев-142, Украина
*Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина,
пл. Свободы, 4,
61077 Харьков, Украина
**Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарева НАН Украины,
просп. Науки, 45,
03028 Киев, Украина
Исследованы структура и морфология металлических нанопленок тол-
щиной 30—100 нм из Ti, Nb, Cr, Ni, Mo, W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag, Au, нане-
сенных на высокоглиноземистую керамику и углеродсодержащие неор-
ганические материалы, с использованием сканирующей и атомно-
силовой микроскопии. Определена смачиваемость этих пленок различной
толщины серебром и медью. Получены и испытаны на сдвиг твердофаз-
ные соединения Al2O3 и SiC, покрытые нанопленками Ti, Nb, Cr и Ni раз-
личной толщины, через серебряную и медную прокладки, а также паяные
соединения никелированных образцов из Al2O3 алюминиевым припоем.
Изготовлены опытные образцы керамических и сапфирокерамических
изделий с использованием платиновой нанопленки.
Досліджено структуру та морфологію металевих наноплівок завтовшки
30—100 нм із Ti, Nb, Cr, Ni, Mo, W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag, Au, яких нанесено
на високоглиноземисту кераміку та вуглецевовмісні неорганічні матерія-
ли, з використанням сканівної та атомово-силової мікроскопії. Визначено
змочуваність цих плівок різної товщини сріблом і міддю. Одержано та
випробувано на зсув твердофазні з’єднання Al2O3 і SiС, вкриті наноплів-
ками Ti, Nb, Cr і Ni різної товщини через срібну й мідну прокладки, а та-
кож лютувані з’єднання нікльованих зразків з Al2O3 алюмінійовим при-
лютком. Виготовлено дослідні зразки керамічних та сапфірокерамічних
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2008, т. 6, № 4, сс. 1185—1197
© 2008 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
1186 Ю. В. НАЙДИЧ, И. И. ГАБ, Б. Д. КОСТЮК и др.
виробів з використанням плятинової наноплівки.
The structure and morphology of Ti, Nb, Cr, Ni, Mo, W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag,
and Au metallic nanofilms with thicknesses of 30—100 nanometres deposited
onto alumina ceramics and carbon-containing inorganic materials are studied
with use of scanning and atomic-force microscopies. Wettability of these
films of various thicknesses with silver and copper is investigated. Solid-
phase joints of Al2O3 and SiC coated by Ti, Nb, Cr and Ni nanofilms of various
thicknesses through silver and copper gaskets and also brazed joints of Al2O3
specimens coated by Ni using aluminium braze are fabricated. These speci-
mens are subjected to shearing test. Experimental specimens of ceramic and
sapphire-ceramic units with use of platinum nanofilm are manufactured.
Ключевые слова: нанопленки, морфология, капиллярные свойства, ке-
рамика, паяные соединения.
(Получено 23 ноября 2007 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
В современной технике увеличивается спрос на паяные и сварные
соединения керамических материалов. К этим соединениям предъ-
являются жесткие требования, в частности, зачастую необходима
высокая их прочность.
Как следует из теоретических соображений и некоторых экспе-
риментальных данных [1—3], уменьшение толщины паяльного за-
зора до нескольких микрон и даже долей микрона может сущест-
венно увеличить прочность паяных соединений.
Получение столь малых паяльных зазоров возможно путем ис-
пользования тонких (20—100—200 нм) металлических покрытий со-
единяемых поверхностей. Тонкие однородные покрытия можно по-
лучить разными методами: химическим осаждением из растворов,
вакуумным напылением, электронно-лучевым испарением, магне-
тронным распылением и др.
Смачиваемость припойными сплавами неметаллической поверх-
ности с нанесенной металлической пленкой тугоплавкого металла
зависит от толщины пленки [4, 5]. Изучение такой зависимости
представляет как теоретический, так и непосредственно практиче-
ский интерес.
Цель данной работы – исследование структурных и капилляр-
ных (смачиваемость) характеристик нанопленок Ti, Nb, Cr, Ni, Мо,
W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag, Au толщиной 30—100 нм, их морфологии и
степени коагуляции при отжиге, определение влияния толщины
этих пленок на прочностные характеристики покрытых ими Al2O3 и
SiC, соединенных посредством сварки давлением через серебряную
и медную прокладки, а также пайки никелированных образцов
Al2O3 и SiC алюминиевым припоем.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И КАПИЛЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА НАНОПЛЕНОК 1187
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В данной работе использовали электронно-лучевой [6] метод нанесе-
ния металлических пленок, а также метод магнетронного распыле-
ния металлов на поверхности неметаллических подложек [7]. Тон-
кие металлические пленки (30—100 нм) перечисленных выше метал-
лов наносили на поверхности подложек, изготовленных из алюмоок-
сидной керамики и поликристаллического самосвязанного карбида
кремния, а пленки Au наносили на кристалл алмаза. При нанесении
металлических покрытий на неметаллическую поверхность боль-
шую роль играет чистота обработки последней. Обычно при исследо-
вании явлений смачивания и межфазных процессов твердые поверх-
ности материалов обрабатывают до величины шероховатости в пре-
делах 0,01—0,02 мкм. В данной работе шероховатость поверхности
неметаллических материалов не превышала 10 нм.
Толщину покрытий определяли оптическим методом с помощью
микроинтерферометра МИИ-4 и оптического профилографа «Мик-
рон Альфа». С помощью последнего измеряли высоту ступеньки,
образованной поверхностью пленки и непокрытой металлом по-
верхности подложки. Для улучшения сцепления металлической
пленки с неметаллической поверхностью часть покрытий подвер-
гали последующему отжигу. Все пленки отжигали в вакууме 2⋅10−3
Па при температурах 700—1500°С в зависимости от типа пленки в
течение 30 мин.
Морфологию и микрорельеф полученных пленок изучали с по-
мощью атомно-силового микроскопа AFM_N.SCA и сканирующего
микроскопа JSM-840.
Смачиваемость металлических нанопленок медным и серебря-
ным припоями исследовали методом большой капли в вакууме.
Методами твердофазного соединения давлением в вакууме через
пластичные прокладки из меди и серебра, помещенные между ме-
таллизированными поверхностями неметаллов были изготовлены
образцы для испытаний прочности сварных соединений. Они пред-
ставляли собой таблетки ∅8 мм и высотой 4—5 мм, соединенные по-
парно. Прочность полученных соединений определяли посредством
механических испытаний на сдвиг.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Морфология и структура пленок
Интересно исследование рельефа поверхности пленок на наноуровне.
На рисунке 1 представлены результаты такого исследования пленки
хрома, напыленной магнетронным распылением на поверхность
сапфира. Поверхность пленки весьма гладкая, величина шерохова-
1188 Ю. В. НАЙДИЧ, И. И. ГАБ, Б. Д. КОСТЮК и др.
тости (средняя высота микронеровностей рельефа) не превышает
5 нм. Величину ступенек, выступов и отдельных образований на по-
верхности пленки составляют зерна в одну или несколько элемен-
тарных ячеек решетки хрома (параметр решетки хрома 2,885 Å; при
увеличении 2⋅106
размер атомных элементов микрорельефа составит
0,6 мм), причем эти кристаллики «лежат» на поверхности сапфира,
т.е. каждый отдельный кристалл контактирует с сапфиром большей
частью своей поверхности, что очевидно энергетически выгодно.
Исследования с помощью сканирующей электронной микроско-
пии (увеличения от 1000 до 10000 раз) показали, что свеженанесен-
ные пленки всех упомянутых металлов независимо от их толщины в
интервале от 30 до 100 нм являются сплошными и достаточно глад-
кими (рис. 2, а). В результате дальнейшего отжига металлические
нанопленки вели себя по-разному. Для пленки хрома при нагреве от
а б
Рис. 1. АСМ-изображение поверхности хромовой пленки толщиной 65 нм
на сапфире (а) и сечение поверхности (б).
а б в
Рис. 2. Изменение поверхности хромовой пленки толщиной 100 нм на
алюмооксидной керамике при отжиге, ×10000: а – свеженанесенная
пленка, 20°С; б – пленка после отжига при 700°С; в – пленка после отжи-
га при 950°С.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И КАПИЛЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА НАНОПЛЕНОК 1189
700°С до 950°С наблюдается изменение вида ее поверхности, очевид-
но, в результате коагуляционных процессов (рис. 2).
Изменения морфологии поверхности никелевой пленки проявля-
ются более сильно: более выраженное начало коагуляции при 700°С
и полный распад на отдельные островки в районе 950°С (рис. 2).
Иная картина наблюдается у более тугоплавких пленок титана и
ниобия. Обе пленки остаются сплошными при температуре отжига
до 950°С. Для ниобия очень небольшие изменения морфологии об-
наруживаются при отжиге до температуры ∼ 1200°С.
Титановая пленка оставалась практически сплошной после от-
жига ее до 1500°С.
Очевидно, что различное поведение пленок металлов можно свя-
зать с различной адгезией определенного металла к твердой по-
верхности неметаллического материала, а также с поверхностным
натяжением металла. Кинетически действие этих факторов будет
сказываться при достаточной подвижности атомов металла пленки,
т.е. при достаточной температуре отжига.
Последовательно объяснить различное поведение металлических
нанопленок в результате отжига можно следующим образом.
Состояние, когда сплошная металлическая пленка равномерно
покрывает поверхность неметаллического (в частности, оксидного)
материала может быть либо (1) термодинамически стабильным, ли-
бо (2) неравновесным.
Благодаря действию высокого поверхностного натяжения метал-
ла покрытия сплошная сначала пленка (после напыления) является
нестабильной при толщинах 5—100 нм, и в процессе отжига при
температурах, когда подвижность атомов металла становится дос-
таточно высокой, превращается в островковую, т.е. лишь часть по-
верхности неметаллической основы занята металлом пленки. При
этом имеет место приближение системы к равновесному состоянию.
Фактором, препятствующим коагуляции пленки и собиранию ее
в отдельные островки, является адгезия металла покрытия к осно-
ве. Может быть предложен критерий K:
мет-кер метАK W= σ , (1)
где WАмет-кер – адгезия металла пленки к основе, мДж/м2; σмет –
поверхностное натяжение металла, мДж/м2.
Этот критерий определяет взаимосвязь способности пленки со-
храняться сплошной (или коагулировать) с краевым угол смачива-
ния металлом пленки (в жидком состоянии) поверхности основного
неметаллического материала в соответствии с уравнением Юнга:
ж г
cos 1AW
−
Θ = −
σ
, (2)
1190 Ю. В. НАЙДИЧ, И. И. ГАБ, Б. Д. КОСТЮК и др.
где θ – краевой угол смачивания, град; WA – работа адгезии; σж—г
– поверхностное натяжение на границе жидкость—газ.
Следовательно, структура пленки может быть сопоставлена со
смачиванием неметаллической поверхности основы металлом
пленки (в данном случае речь идет о так называемом «твердом сма-
чивании»). Обычно в большинстве случаев равновесное значение
краевого угла смачивания при распадении пленки на отдельные
ТАБЛИЦА 1. Сопоставление степени смачивания, критерия WАмет-кер/σм =
= K и морфологии отожженных пленок металлов толщиной 100 нм, нане-
сенных на Al2O3.
Характеристики
металла пленки Металл
пленки
Θ° σмет,
мДж/м2
WAмет-кер,
мДж/м2
K
Площадь, занятая
металлом пленки,
Sмет, %
Микрофотография
пленки, ×3000
Au 135 1140 342 0,3 10
Rh 120 2000 1000 0,5 15
Pt 120 1740 870 0,5 18
Pd 118 1470 780 0,53 30
Ni 115 1750 1025 0,58 36
Ag 90 750 750 1 42
Nb 70 1900 2546 1,34 60
Cr 65 1600 2200 1,42 68
Zr 10 1390 2750 1,98 95
Ti ∼ 0 1500 ∼ 3000 2 99—100
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И КАПИЛЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА НАНОПЛЕНОК 1191
островки в процессе отжига при температуре ниже, чем температу-
ра плавления металла для реального (практически) времени отжига
(десятки минут или 1—2 часа) не достигается. Тем не менее, можно
ожидать, что площадь поверхности подложки, занятая островками
пленки, при сравнительных условиях коагуляции будет коррели-
ровать с соотношением WАмет-кер/σмет. Обычно достаточно толстая
пленка сохраняет сплошность после отжига и рекристаллизацион-
ных явлений, хотя состояние системы с такой пленкой может ос-
таться и неравновесным.
Экспериментально были определены площади островков металла
пленки на поверхности оксида алюминия для разных металлов (Ni,
Ag, Cr, Ti и т.д.) при одинаковых первоначальных толщинах пле-
нок (100 нм) в условиях отжига и сопоставлены с адгезионно-
поверхностными свойствами этих металлов (табл. 1). При этом ис-
пользовались электронно-микроскопические снимки поверхностей
пленок (сканирующая электронная микроскопия) при увеличении
до 10000 раз.
Значения краевых углов смачивания для жидкого состояния этих
металлов в контакте с оксидом алюминия взяты из литературы [8].
Анализ этих данных (табл. 1) свидетельствует о следующем. Ни-
кель не смачивает поверхность оксида алюминия, имеет высокое
поверхностное натяжение и легко коагулирует, из начального со-
стояния сплошной пленки после напыления, создавая после отжига
островковую структуру пленки. Часть поверхности, покрытая ни-
келем, составляет 36%. Хром смачивает оксид алюминия (краевой
угол 65°) и поверхность оксида алюминия, занятая островками
хрома, составляет 68%. Адгезия титана к оксиду алюминия очень
высока, поверхностное натяжение умеренное и пленка титана
практически полностью покрывает поверхность оксида алюминия
(т.е. около 98—100%). Это состояние – состояние сплошной пленки
после отжига является термодинамически равновесным.
Ниобиевая пленка сохраняет сплошность и при более высоких
температурах отжига (1200°С, 30 мин.). Это состояние остается
термодинамически неравновесным согласно критерию WАмет-кер/σмет
(который равен по теоретической оценке 1,8), но существует благо-
даря значительно меньшей, чем для Ni, Cr, Ti диффузионной под-
вижности атомов. Если ориентироваться на температуру рекри-
сталлизации Трекр ∼ 0,4Tплавл, то для ниобия при высокой температу-
ре плавления ∼ 2500°С и, соответственно температура его рекри-
сталлизации выше, чем у Ti. Адгезия ниобия к оксиду алюминия
также достаточно высока. В целом все это объясняет высокую ста-
бильность ниобиевой пленки при нагреве, хотя при отжиге этой
пленки до температур 1500—1600°С она все-таки коагулирует. Это
хорошо заметно при исследовании пленки при большом увеличе-
нии с использованием атомно-силового микроскопа (рис. 3).
Пленки благородных металлов, поскольку они не смачивают ок-
1192 Ю. В. НАЙДИЧ, И. И. ГАБ, Б. Д. КОСТЮК и др.
сиды, при отжиге до высоких температур вообще распадаются на
отдельные капли, которые покрывают небольшую часть оксидной
поверхности (K < 0,5). Установлено, что при отжиге пленок этих
металлов в воздушной среде их коагуляция протекает гораздо менее
интенсивно вследствие влияния кислорода на этот процесс (рис. 4).
При отжиге пленок Nb, Pd, Pt и Rh, нанесенных на подложки из
SiC и стеклоуглерода они также сильно коагулировали, но при этом
на снимках, выполненных с помощью сканирующего микроскопа
явно видно взаимодействие скоагулировавших пленок с материа-
лом подложки (рис. 5, а, б).
При исследовании морфологии золотой пленки толщиной 300
нм, нанесенной на поверхность подложки из стеклоуглерода, кото-
рый не смачивается расплавленным золотом и не взаимодействует с
ним, эта пленка скоагулировала на отдельные капли при темпера-
туре отжига 1000°С в вакууме (рис. 5, в).
а б
Рис. 4. Влияние среды отжига при 1600°С на морфологию платиновой
пленки толщиной 100 нм на сапфире ×3000, где S – площадь поверхности
неметаллической подложки, покрытая металлической пленкой: а – от-
жиг в вакууме (S = 18%); б – отжиг на воздухе (S = 32%).
Рис. 3. Вид ниобиевой пленки толщиной 100 нм на сапфире отожженной в
вакууме при температуре 1600°С под атомно-силовыммикроскопом.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И КАПИЛЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА НАНОПЛЕНОК 1193
Таким образом, проведенные исследования позволяют понимать
и предсказывать морфологические и структурные особенности
строения тонких пленок металла, нанесенных на неметаллические
неорганические материалы, и использовать их при разработке тех-
нологий пайки и сварки неметаллических материалов.
3.2. Смачиваемость пленок металлическими расплавами
При пайке неметаллических материалов важнейшим фактором яв-
ляется высокая степень смачиваемости расплавленным припоем не-
металлической поверхности. Нанесение металлических нанопленок
приводит к хорошему растеканию припоя.
Смачиваемость нанопленок благодаря рассмотренным выше про-
цессам коагуляции может быть неполной и меняться в зависимости
от структуры островковых пленок металла. Эти процессы изучались
на примере системы сапфир—пленка Мо—серебро, сапфир—пленка
Мо—медь, Al2O3—пленка W—серебро, Al2O3—пленка W—медь, а также
некоторых других систем. Сапфир не смачивается расплавленными
медью и серебром; пленка Мо, нанесенная на поверхность сапфира,
способствует росту смачиваемости (уменьшению краевого угла сма-
чивания).
Изучалась также зависимость смачиваемости от общей толщины
нанесенной пленки. Было установлено, что при увеличении толщи-
ны наносимой металлической пленки краевой угол уменьшается,
смачиваемость растет (рис. 6).
Зависимость «Θ—толщина пленки» близка к линейной с дости-
жением конечного угла смачивания, характерного для системы
жидкий металл—компактный металл пленки. Предельная толщина
пленки, при которой достигается это конечное значение Θ, состав-
а б в
Рис. 5. Вид пленок благородных металлов, нанесенных на стеклоуглерод и
SiC, после отжига в вакууме: а – пленка Pd толщиной 100 нм на SiC после
отжига при 1200°С; б – пленка Pt толщиной 100 нм на стеклоуглероде
после отжига при 1600°С; в – пленка золота толщиной 300 нм на стекло-
углероде после отжига при 1000°С.
1194 Ю. В. НАЙДИЧ, И. И. ГАБ, Б. Д. КОСТЮК и др.
ляет ∼ 50 нм для меди и ∼ 30 нм для серебра. Близкое к линейному
падение значения краевого угла в зависимости от толщины пленки
может быть объяснено следующим образом. Учитывая островковую
структуру пленки, т.е. тот факт, что часть поверхности твердого не-
смачиваемого тела (сапфир) покрыта металлом, а остальная часть
свободна от покрытия, смачиваемость керамического материала
при достаточно высокой температуре следует рассматривать как
смачиваемость гетерогенной поверхности. С увеличением общей
толщины пленки увеличивается доля поверхности, занятая метал-
лом пленки. Результирующая работа адгезии
PAW может быть за-
писана (приближено):
1 21 1(1 )
PA A AW W S W S= + − ,
где
1AW – адгезия расплавленного металла к металлу покрытия;
2AW – адгезия расплавленного металла к непокрытой твердой
фазой поверхности; S1 – доля поверхности, занятой металлом.
Это уравнение аналогично предложенному Кесси [9].
Очевидно, S1 для тонких покрытий меняется пропорционально
количеству нанесенного металла, т.е. толщине пленки.
Ранее мы специально исследовали подобные закономерности на
модельных гетерогенных поверхностях, где литографическим спосо-
бом наносили правильно расположенные участки металлической хо-
рошо смачиваемой составляющей [10]. Полученные в настоящей ра-
боте данные в целом подтверждают выявленные ранее закономерно-
сти.
Практическим выводом из полученных данных являются значе-
ния предельных толщин пленок до ∼ 60—70 нм, после которых сма-
чиваемость уже не меняется. Это важно, т.к. свеженанесенные
0
20
40
60
80
100
120
140
0 20 40 60 80 100 120
Толщина пленки W, нм
К
р
а
е
в
о
й
у
г
о
л
с
м
а
ч
и
в
а
н
и
я
,
г
р
а
д
.
а б в
Рис. 6. Зависимость смачивания медью и серебром металлических наноп-
ленок разной толщины, нанесенных на Al2O3: а – смачивание медью
пленки Мо на лейкосапфире; б – смачивание серебром пленки Мо на лей-
косапфире; в– смачивание медью пленкиW на керамике на основе Al2O3.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И КАПИЛЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА НАНОПЛЕНОК 1195
пленки исследованных металлов при значительных толщинах
(> 150 нм) в результате рекристаллизационных ростовых напряже-
ний отслаивались в ряде случаев. Таким образом, наносить пленки
толщиной более 100—150 нм не имеет смысла. Уменьшение угла
смачивания наблюдали также на пленках Cr при увеличении их
толщины от 20 до 100 нм при смачивании их медью от 125° до 50° и
серебром от 93° до 45°. При смачивании пленки ниобия медью в
пределах тех же толщин наблюдалась аналогичная картина, и угол
смачивания достигал 45° на пленке толщиной 80—100 нм, при этом
медь хорошо растекалась по пленке. В тоже время серебро смачива-
ло ниобиевую пленку хуже, и наименьший угол смачивания со-
ставлял 80—60° при толщине пленки до 100 нм. Причем при смачи-
вании серебром подложки из компактного ниобия угол смачивания
находился в пределах 45—50°. Этот вопрос требует дополнительного
исследования.
3.3. Пайка керамики с использованием нанопленок
Завершающим этапом данной работы явилось изготовление и проч-
ностные испытания (на сдвиг) образцов соединений алюмооксидной
и карбидокремниевой керамики, покрытой нанопленками из Cr,
Ni, Nb и Ti толщиной 50 и 100 нм. Образцы были изготовлены, в ос-
новном методом сварки давлением через тонкие серебряную и мед-
ную прокладки и представляли собой металлизированные керами-
ческие диски ∅8 мм, Н = 5 мм, соединенные попарно. Часть кера-
ТАБЛИЦА 2. Прочность на сдвиг соединений керамики Al2O3 и SiC*,
полученных с использованием металлических нанопленок.
Материал пленки Толщина пленки, нм Материал прокладки Прочность, МПа
50 30
100
Cu
140 Nb
100 Ag 50
50 100
100 164
200 169
100
Ag
149*
Ti
100 Cu 260
50 90
Cr
100
Ag
150
50 Ag 90
Ag 250 Ni
100
Al 150
Pt 100 Pd 160
1196 Ю. В. НАЙДИЧ, И. И. ГАБ, Б. Д. КОСТЮК и др.
мических образцов с никелевым покрытием была получена методом
пайки расплавленным алюминием с небольшим пригружением,
используя эффект хорошего смачивания и растекания алюминия по
никелю при температуре 800°С [11, 12]. На модельных образцах из
армко-железа, металлизированных нанопленками серебра толщи-
ной 100 нм и соединенных сваркой давлением, определяли проч-
ность на сдвиг при очень малом паяльном зазоре, не превышающем
200 нм. Прочность таких образцов достигала 450 МПа, т.е. значи-
тельной величины. Результаты прочностных испытаний представ-
лены в табл. 2.
С использованием платинового покрытия 100 нм на деталях из
сапфира и оксидо-алюминиевой керамики были изготовлены свар-
кой давлением через палладиевую прокладку опытные образцы вы-
сокотемпературных керамических и сапфирокерамических изде-
лий, способных работать в окислительной среде (воздух) при темпе-
ратурах до 1500°С (рис. 7).
4. ВЫВОДЫ
При анализе и сопоставлении теоретических и практических дан-
ных по смачиванию различными металлами оксида алюминия об-
наружена зависимость морфологии нанопленок исследованных ме-
таллов от степени смачивания этими металлами Al2O3, что опреде-
ляется предложенным критерием K = WАмет-кер/σмет. При K < 1 плен-
ки при отжиге приобретают островковую структуру. Пленка оста-
ется сплошной при K >> 1 в процессе отжига даже при температуре
1200°С и больше.
Прогнозирование вида пленки (сплошная, островковая) в про-
цесса отжига может быть использовано при определении темпера-
туры соединения (сварки, пайки) металлизированных керамиче-
ских материалов.
Полученная большая прочность (до 260 МПа) образцов Al2O3, ме-
таллизированных нанопленками (100 нм) Ti и Ni, свидетельствует о
Рис. 7. Образцы сапфирокерамических и керамических изделий, получен-
ные давлением через палладиевую прокладку с использованием платино-
вого нанопокрытия: 1 – сапфирокерамическое окно; 2 – кислородные
датчики.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И КАПИЛЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА НАНОПЛЕНОК 1197
перспективности использования металлических нанопленок при
соединении неметаллических материалов и дальнейшей разработ-
ки технологии получения таких соединений для изготовления
сварных и паяных неметалло-металлических изделий и узлов с вы-
сокой прочностью.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. J. Colbus, C. C. Keel, and D. M. Blanc, Welding J., 41, No. 9: 413 (1962).
2. W. G. Moffatt and J. Wulff, J. Metals, 9, No. 4: 442 (1957).
3. Н. Ф. Лашко, С. В. Лашко, Пайка металлов (Москва: Машиностроение:
1967).
4. Ю. В. Найдич, Б. Д. Костюк, Г. А. Колесниченко и др., Физическая химия
конденсированных фаз, сверхтвердых материалов и их границ раздела
(Киев: Наукова думка: 1975).
5. Ю. В. Найдич, Г. А. Колесниченко, Б. Д. Костюк, Физика и химия обработ-
ки материалов, № 2: 91 (1975).
6. С. Метфессель, Тонкие пленки, их изготовление и измерение (Москва—
Ленинград: Госэнергоиздат: 1963).
7. Б. С. Данилин, Применение низкотемпературной плазмы для нанесения
тонких пленок (Москва: Энергоатомиздат: 1989).
8. I. C. Batirev, A. Alavi, M. Finnis, and T. Deuter, Phys. Rev. Lett., 82, Nо. 7:
1510 (1999).
9. A. Cassie, Discuss. Faraday Soc., 3, No. 1: 11 (1948).
10. Y. Naidich, R. Voitovich, and V. Zabuga, J. Colloid and Interface Sci., 174: 104
(1995).
11. В. П. Красовский, Б. Д. Костюк, Ю. Н. Чувашов, Адгезия расплавов и пайка
материалов, № 33: 31 (1997).
12. C. A. Leon and R. A. L. Drew, Composites. Part A, 33: 1429 (2002).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76197 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:33:31Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Найдич, Ю.В. Габ, И.И. Костюк, Б.Д. Стецюк, Т.В. Куркова, Д.И. Дукаров, С.В. Крышталь, А.П. Литвин, О.С. 2015-02-08T18:05:51Z 2015-02-08T18:05:51Z 2008 Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик / Ю.В. Найдич, И.И. Габ, Б.Д. Костюк, Т.В. Стецюк, Д.И. Куркова, С. В. Дукаров, А.П. Крышталь, О.С. Литвин // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1185-1197. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 68.08.Bc,68.35.Np,68.37.Hk,68.37.Ps,68.47.Gh,68.55.J-,81.05.Je https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76197 Исследованы структура и морфология металлических нанопленок толщиной 30—100 нм из Ti, Nb, Cr, Ni, Mo, W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag, Au, нанесенных на высокоглиноземистую керамику и углеродсодержащие неорганические материалы, с использованием сканирующей и атомносиловой микроскопии. Определена смачиваемость этих пленок различной толщины серебром и медью. Получены и испытаны на сдвиг твердофазные соединения Al2O3 и SiC, покрытые нанопленками Ti, Nb, Cr и Ni различной толщины, через серебряную и медную прокладки, а также паяные соединения никелированных образцов из Al2O3 алюминиевым припоем. Изготовлены опытные образцы керамических и сапфирокерамических изделий с использованием платиновой нанопленки. Досліджено структуру та морфологію металевих наноплівок завтовшки 30—100 нм із Ti, Nb, Cr, Ni, Mo, W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag, Au, яких нанесено на високоглиноземисту кераміку та вуглецевовмісні неорганічні матеріяли, з використанням сканівної та атомово-силової мікроскопії. Визначено змочуваність цих плівок різної товщини сріблом і міддю. Одержано та випробувано на зсув твердофазні з’єднання Al2O3 і SiС, вкриті наноплівками Ti, Nb, Cr і Ni різної товщини через срібну й мідну прокладки, а також лютувані з’єднання нікльованих зразків з Al2O3 алюмінійовим прилютком. Виготовлено дослідні зразки керамічних та сапфірокерамічних виробів з використанням плятинової наноплівки. The structure and morphology of Ti, Nb, Cr, Ni, Mo, W, Ta, Pd, Pt, Rh, Ag, and Au metallic nanofilms with thicknesses of 30—100 nanometres deposited onto alumina ceramics and carbon-containing inorganic materials are studied with use of scanning and atomic-force microscopies. Wettability of these films of various thicknesses with silver and copper is investigated. Solidphase joints of Al2O3 and SiC coated by Ti, Nb, Cr and Ni nanofilms of various thicknesses through silver and copper gaskets and also brazed joints of Al2O3 specimens coated by Ni using aluminium braze are fabricated. These specimens are subjected to shearing test. Experimental specimens of ceramic and sapphire-ceramic units with use of platinum nanofilm are manufactured. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик Morphological and Capillary Properties of Metallic Nanofilms on Oxide and Carbide Ceramics and Their Influence on Strength of Brazed and Welded Joints of These Ceramics Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик Найдич, Ю.В. Габ, И.И. Костюк, Б.Д. Стецюк, Т.В. Куркова, Д.И. Дукаров, С.В. Крышталь, А.П. Литвин, О.С. |
| title | Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик |
| title_alt | Morphological and Capillary Properties of Metallic Nanofilms on Oxide and Carbide Ceramics and Their Influence on Strength of Brazed and Welded Joints of These Ceramics |
| title_full | Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик |
| title_fullStr | Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик |
| title_full_unstemmed | Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик |
| title_short | Исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик |
| title_sort | исследование морфологических и капиллярных свойств металлических нанопленок на оксидной и карбидной керамике и их влияние на прочность паяных и сварных соединений этих керамик |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76197 |
| work_keys_str_mv | AT naidičûv issledovaniemorfologičeskihikapillârnyhsvoistvmetalličeskihnanoplenoknaoksidnoiikarbidnoikeramikeiihvliânienapročnostʹpaânyhisvarnyhsoedineniiétihkeramik AT gabii issledovaniemorfologičeskihikapillârnyhsvoistvmetalličeskihnanoplenoknaoksidnoiikarbidnoikeramikeiihvliânienapročnostʹpaânyhisvarnyhsoedineniiétihkeramik AT kostûkbd issledovaniemorfologičeskihikapillârnyhsvoistvmetalličeskihnanoplenoknaoksidnoiikarbidnoikeramikeiihvliânienapročnostʹpaânyhisvarnyhsoedineniiétihkeramik AT stecûktv issledovaniemorfologičeskihikapillârnyhsvoistvmetalličeskihnanoplenoknaoksidnoiikarbidnoikeramikeiihvliânienapročnostʹpaânyhisvarnyhsoedineniiétihkeramik AT kurkovadi issledovaniemorfologičeskihikapillârnyhsvoistvmetalličeskihnanoplenoknaoksidnoiikarbidnoikeramikeiihvliânienapročnostʹpaânyhisvarnyhsoedineniiétihkeramik AT dukarovsv issledovaniemorfologičeskihikapillârnyhsvoistvmetalličeskihnanoplenoknaoksidnoiikarbidnoikeramikeiihvliânienapročnostʹpaânyhisvarnyhsoedineniiétihkeramik AT kryštalʹap issledovaniemorfologičeskihikapillârnyhsvoistvmetalličeskihnanoplenoknaoksidnoiikarbidnoikeramikeiihvliânienapročnostʹpaânyhisvarnyhsoedineniiétihkeramik AT litvinos issledovaniemorfologičeskihikapillârnyhsvoistvmetalličeskihnanoplenoknaoksidnoiikarbidnoikeramikeiihvliânienapročnostʹpaânyhisvarnyhsoedineniiétihkeramik AT naidičûv morphologicalandcapillarypropertiesofmetallicnanofilmsonoxideandcarbideceramicsandtheirinfluenceonstrengthofbrazedandweldedjointsoftheseceramics AT gabii morphologicalandcapillarypropertiesofmetallicnanofilmsonoxideandcarbideceramicsandtheirinfluenceonstrengthofbrazedandweldedjointsoftheseceramics AT kostûkbd morphologicalandcapillarypropertiesofmetallicnanofilmsonoxideandcarbideceramicsandtheirinfluenceonstrengthofbrazedandweldedjointsoftheseceramics AT stecûktv morphologicalandcapillarypropertiesofmetallicnanofilmsonoxideandcarbideceramicsandtheirinfluenceonstrengthofbrazedandweldedjointsoftheseceramics AT kurkovadi morphologicalandcapillarypropertiesofmetallicnanofilmsonoxideandcarbideceramicsandtheirinfluenceonstrengthofbrazedandweldedjointsoftheseceramics AT dukarovsv morphologicalandcapillarypropertiesofmetallicnanofilmsonoxideandcarbideceramicsandtheirinfluenceonstrengthofbrazedandweldedjointsoftheseceramics AT kryštalʹap morphologicalandcapillarypropertiesofmetallicnanofilmsonoxideandcarbideceramicsandtheirinfluenceonstrengthofbrazedandweldedjointsoftheseceramics AT litvinos morphologicalandcapillarypropertiesofmetallicnanofilmsonoxideandcarbideceramicsandtheirinfluenceonstrengthofbrazedandweldedjointsoftheseceramics |