Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода
Вперше проведенi експерименти iз змочування сегнетоелектричного матерiалу на базi BaTiO3 в атмосферi чистого кисню. Розроблена технологiя паяння BaTiO3-керамiки у повiтряному середовищi та в атмосферi чистого кисню, а також спосiб нанесення покриттiв з високою адгезiєю з використанням металiчних роз...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8519 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода / Ю.В. Найдич, Т.В. Сидоренко // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 110-114. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859623771365703680 |
|---|---|
| author | Найдич, Ю.В. Сидоренко, Т.В. |
| author_facet | Найдич, Ю.В. Сидоренко, Т.В. |
| citation_txt | Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода / Ю.В. Найдич, Т.В. Сидоренко // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 110-114. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Вперше проведенi експерименти iз змочування сегнетоелектричного матерiалу на базi BaTiO3 в атмосферi чистого кисню. Розроблена технологiя паяння BaTiO3-керамiки у повiтряному середовищi та в атмосферi чистого кисню, а також спосiб нанесення покриттiв з високою адгезiєю з використанням металiчних розплавiв, якi мiстять елементи з високою спорiдненiстю до електрона. Розробленi технологiї дозволяють значно пiдвищити адгезiйну мiцнiсть покриттiв та паяних з’єднань, а також розширюють i вiдкривають новi можливостi створення рiзних приладiв та пристроїв.
For the first time, the wetting experiments in pure oxygen atmosphere for a ferroelectric material on the BaTiO3 basis are carried out. The brazing technology in air and in pure oxygen for ferroelectric ceramic materials on the basis of BaTiO3 between themselves and with metals and a method of plating of a coating with high adhesion using metal melts which contain elements with high affinity to electrons are developed. These technologies allow one to increase considerably the adhesive strength of a coating and brazed connections and open new opportunities for the creation of various devices.
|
| first_indexed | 2025-11-29T08:43:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
5 • 2009
МАТЕРIАЛОЗНАВСТВО
УДК 621.793:666:621.315.61:537.226
© 2009
Академик НАН Украины Ю.В. Найдич, Т. В. Сидоренко
Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере
чистого кислорода
Вперше проведенi експерименти iз змочування сегнетоелектричного матерiалу на ба-
зi BaTiO3 в атмосферi чистого кисню. Розроблена технологiя паяння BaTiO3-керамiки
у повiтряному середовищi та в атмосферi чистого кисню, а також спосiб нанесення
покриттiв з високою адгезiєю з використанням металiчних розплавiв, якi мiстять еле-
менти з високою спорiдненiстю до електрона. Розробленi технологiї дозволяють значно
пiдвищити адгезiйну мiцнiсть покриттiв та паяних з’єднань, а також розширюють
i вiдкривають новi можливостi створення рiзних приладiв та пристроїв.
В современной электротехнике и электронике особое место занимают функциональные ке-
рамические материалы, в состав которых входят соединения со структурой перовскита,
подобные титанату бария BaTiO3. Они имеют достаточно широкую сферу применения при
создании, например, многослойных конденсаторов, датчиков электрического поля, многих
пьезо- и сегнетоэлектрических приборов (сенсоров, приводов), термисторов.
Металлические покрытия на поверхности керамики могут служить электродами кон-
денсаторов или промежуточным слоем для соединения керамики с металлом посредством
пайки [1].
Перовскитная керамика на основе титаната бария существует в двух состояниях: как се-
гнетоэлектрик (стехиометриическое соединение BaTiO3) и как полупроводник (структура
с дефектом по кислороду BaTiO3−x, которая образуется, в частности, при отжиге сегне-
тоэлектрической BaTiO3-керамики в высоком вакууме) [2]. Полупроводниковая керамика
также используется в электронике и электротехнике. Нами была разработана технология
вакуумной пайки перовскитной полупроводниковой керамики (BaTiO3−x) с использованием
припоев, которые содержат адгезионно активный компонент, например, титан [3]. Процесс
пайки осуществляется в высоком вакууме при температуре 700–1000◦С и не может быть
использован для соединения сегнетоэлектрической BaTiO3-керамики.
Титанат бария стехиометрического состава, который имеет высокие сегнето- и пьезо-
электрические свойства, может без изменений нагреваться только в среде, содержащей
кислород (воздух). Для соединения таких материалов требуются специальные припои и тех-
110 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5
нологические процессы. Благоприятным при этом является то обстоятельство, что кисло-
род, растворенный в некоторых металлах, приводит к значительному увеличению степени
смачивания и адгезии этих металлов к керамике. Эффект влияния кислорода на смачивае-
мость, а также на поверхностное и межфазное натяжение металлических расплавов иссле-
довался ранее в работах Ю.В. Найдича и В.Н. Еременко [4, 5]. Было показано, что кислород
активно повышает адгезию Cu, Ag, Ni и некоторых других металлов к ионным соединени-
ям, например, к оксидам. Особенно интересна система Ag−Cu−O. Нами было высказано
предположение, что “кислородная” технология будет работать и для сегнетоэлектрического
титаната бария.
Адгезионно активное действие кислорода, согласно [6], объясняется тем, что добавление
в жидкий металл какого-либо металлоида, имеющего достаточное сродство к электрону,
оттягивает электроны от атомов металла. Последние превращаются в положительные ионы,
которые связываются с анионами твердой фазы, что приводит к смачиваемости ионного
кристалла металлическим расплавом.
Таким образом, целью настоящей работы было изучение смачивания керамических се-
гнетоэлектрических материалов на основе BaTiO3, а также разработка припойных составов
и технологических режимов получения паяных соединений BaTiO3-керамики между собой
и с металлами, создание адгезионно-прочного металлического покрытия на поверхности
сегнетоэлектрической перовскитной керамики. В качестве основы для припоев использова-
лись сплавы системы Ag−Cu−O.
Материалы и методы эксперимента. Образцы керамики на основе титаната бария
были специально изготовлены методом твердофазного синтеза в лаборатории М.Д. Глин-
чук (Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины). Диски из
BaTiO3-керамики, которые использовались в экспериментах, имели диаметр 20 мм и толщи-
ну 3 мм. Пористость образцов составляла не более 3,5%. Подложки BaTiO3 были отшли-
фованы и отполированы. Шероховатость поверхности составляла Ra = 0,02. Изучение сма-
чивания BaTiO3-керамики проводилось методом формы сидящей капли.
Эксперименты и технологические процессы проводились как в воздушной среде, так и
в атмосфере чистого кислорода. Для этого была создана специальная установка, в которой
опыты велись в режиме проточного кислорода с небольшим противодавлением. Температу-
ра эксперимента составляла 980–1050–1100 ◦С. Использовавшийся кислород был техниче-
ской чистоты (предполагалось, что небольшие примеси азота и некоторых других элементов
не скажутся существенно на результатах).
Экспериментальные результаты. Данные относительно краевого угла смачивания
(θ) BaTiO3-керамики представлены на рис. 1.
При 980 ◦С в условиях вакуума для чистого серебра краевой угол смачивания составляет
∼ 130◦, для серебра в среде воздуха — 96 ◦, а в газовой среде, состоящей из чистого кисло-
рода — 75◦. Добавление меди в серебро (∼ 10% (ат.)) приводит к значительному падению
краевого угла смачивания до 45–47 ◦ (для воздушной среды) и почти полного растекания
сплава (θ ≈ 7–10◦) в среде чистого кислорода. Повышение температуры интенсифицирует
процесс смачивания — краевой угол уменьшается до 25–30 ◦ для воздушной среды (при 10%
(ат.) меди в расплаве серебра). Для чистого кислорода полное растекание при этом может
быть достигнуто уже при содержании меди 6–7% (ат.).
Причины большой капиллярной активности сплавов в среде чистого кислорода заклю-
чаются в большой равновесной концентрации кислорода в расплаве при большем его парци-
альном давлении в окружающей среде. Парциальное давление кислорода в воздухе состав-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №5 111
Рис. 1. Зависимость краевого угла смачивания (θ) BaTiO3-керамики расплавами системы Ag–Cu–O от кон-
центрации меди при 980 ◦С: 1 — расплав чистого серебра в вакууме; 2 — расплав системы Ag–Cu (воздушная
среда); 3 — расплав системы Ag–Cu (чистый кислород)
ляет 0,21 атм, парциальное давление чистого кислорода — 1 атм. В соответствии с законом
Сивертса, концентрация кислорода, растворенного в расплаве серебра на воздухе, равна:
[O]Ag
воздух = k
√
0,21. (1)
В атмосфере чистого кислорода эта величина составляет:
[O]Ag
чистый кислород = k
√
1. (2)
Зная, что растворимость кислорода в серебре на воздухе при 980 ◦С составляет 10,5 см3/г
Ag, можно рассчитать, что в атмосфере чистого кислорода она будет в 2,2 раза больше,
т. е. равна ∼ 22,9 см3/г Ag.
Таким образом, и в воздушной среде, и особенно в атмосфере чистого кислорода может
быть осуществлен процесс соединения — пайки сегнетоэлектрической BaTiO3-керамики.
В сочетании керамика — керамика был использован припой состава Ag + 10 ÷ 15% Cu
для воздушной среды и припой Ag + 3 ÷ 5% Cu для среды чистого кислорода.
При необходимости соединять сегнетоэлектрическую керамику с металлом в качестве
последнего следует использовать, как показала практика, платину, дающую прочные одно-
родные паяные швы.
Был разработан вариант нанесения серебряно-медного покрытия с последующим при-
паиванием к нему платинового проводящего электрода. В качестве электрода может быть
успешно использована серебряная проволока. Такие соединения также получены.
Прочность паяных соединений определялась на отрыв и сдвиг. Известно, что эти ве-
личины очень зависят от прочности самой керамики. Прочность полученных нами пая-
ных образцов составляет от 20 до 50 МПа. Эти значения могут быть повышены за счет
использования вакуумноплотной керамики (для плотной керамики из Al2O3 может быть
достигнута прочность ∼ 100 МПа). Отметим, что прочность паяных соединений часто не
является критической характеристикой контакта перовскитная керамика — металлический
расплав, поскольку в практическом применении устройств на основе сегнетоэлектрических
материалов механические нагрузки не столь значительны.
Важной задачей является нанесение тонкого металлического покрытия на сегнетоэле-
ктрическую керамику (например, прослойки конденсатора). Однако при этом требуется
112 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5
Рис. 2. Образцы сегнетоэлектрической BaTiO3-керамики, паянные и металлизированные с использованием
“металл-кислородной” технологии:
1 — соединение керамика — керамика; 2 — соединение платиновая проволока — керамика; 3 — соединение
серебряная проволока — керамика
высокое смачивание металлом поверхности керамики. Теоретически для получения непре-
рывной пленки из жидкого металла необходимо, чтобы коэффициент растекания (K =
= WA − WK , где WA — работа адгезии, WK — работа когезии) был положительным. Это
может быть реализовано для случая использования в качестве атмосферы эксперимента
чистого кислорода.
С помощью “металл-кислородной” технологии были получены паяные соединения сегне-
тоэлектрической BaTiO3-керамики между собой и с металлическими электродами (рис. 2).
Таким образом, проведено исследование смачивания и адгезии перовскитной сегнето-
электрической керамики на основе титаната бария с сохранением его стехиометрического
состава. Впервые исследовано смачивание BaTiO3 в атмосфере чистого кислорода. Исполь-
зование кислородной среды при давлении в 1 атм интенсифицирует капиллярные свойства
расплавов системы Ag−Cu−O, уменьшает краевые углы смачивания вплоть до полного
растекания при содержании 7–10% (ат.) меди в сплаве.
На основе полученных данных разработана “металл-кислородная” технология пайки
и металлизации BaTiO3-керамики и атмосфере чистого кислорода.
1. Рубашов А.М., Бердов Г.И., Гаврилов Н.В. и др. Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлами
в новой технике. – Москва: Атомиздат, 1980. – 246 с.
2. Бурсиан Е. В. Нелинейный кристалл (титанат бария). – Москва: Наука, 1974. – 296 с.
3. Найдич Ю.В., Сидоренко Т. В., Дуров А. В. Процессы металлизации и пайки перовскитной керамики
на основе титаната бария // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 2007. – Вып. 40. – С. 63–69.
4. Еременко В.Н., Найдич Ю.В., Носонович А.А. Поверхностная активность кислорода в системе
медь — кислород // Журн. физ. химии. – 1960. – 34, № 5. – С. 1018–1021.
5. Еременко В.Н., Найдич Ю.В. Поверхностная активность кислорода в системе серебро — кислород //
Изв. АН СССР. Сер. Металлы. – 1961. – № 5. – С. 100–103.
6. Найдич Ю.В. Контактные явления в металлических расплавах. – Киев: Наук. думка, 1972. – 196 с.
Поступило в редакцию 07.11.2008Институт проблем материаловедения
им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №5 113
Academician of the NAS of Ukraine Yu.V. Naidich, T.V. Sydorenko
The brazing of ferroelectric ceramics in pure oxygen atmosphere
For the first time, the wetting experiments in pure oxygen atmosphere for a ferroelectric material on
the BaTiO3 basis are carried out. The brazing technology in air and in pure oxygen for ferroelectric
ceramic materials on the basis of BaTiO3 between themselves and with metals and a method of
plating of a coating with high adhesion using metal melts which contain elements with high affinity to
electrons are developed. These technologies allow one to increase considerably the adhesive strength
of a coating and brazed connections and open new opportunities for the creation of various devices.
114 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8519 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T08:43:06Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Найдич, Ю.В. Сидоренко, Т.В. 2010-06-04T15:12:26Z 2010-06-04T15:12:26Z 2009 Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода / Ю.В. Найдич, Т.В. Сидоренко // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 110-114. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8519 621.793:666:621.315.61:537.226 Вперше проведенi експерименти iз змочування сегнетоелектричного матерiалу на базi BaTiO3 в атмосферi чистого кисню. Розроблена технологiя паяння BaTiO3-керамiки у повiтряному середовищi та в атмосферi чистого кисню, а також спосiб нанесення покриттiв з високою адгезiєю з використанням металiчних розплавiв, якi мiстять елементи з високою спорiдненiстю до електрона. Розробленi технологiї дозволяють значно пiдвищити адгезiйну мiцнiсть покриттiв та паяних з’єднань, а також розширюють i вiдкривають новi можливостi створення рiзних приладiв та пристроїв. For the first time, the wetting experiments in pure oxygen atmosphere for a ferroelectric material on the BaTiO3 basis are carried out. The brazing technology in air and in pure oxygen for ferroelectric ceramic materials on the basis of BaTiO3 between themselves and with metals and a method of plating of a coating with high adhesion using metal melts which contain elements with high affinity to electrons are developed. These technologies allow one to increase considerably the adhesive strength of a coating and brazed connections and open new opportunities for the creation of various devices. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Матеріалознавство Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода The brazing of ferroelectric ceramics in pure oxygen atmosphere Article published earlier |
| spellingShingle | Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода Найдич, Ю.В. Сидоренко, Т.В. Матеріалознавство |
| title | Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода |
| title_alt | The brazing of ferroelectric ceramics in pure oxygen atmosphere |
| title_full | Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода |
| title_fullStr | Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода |
| title_full_unstemmed | Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода |
| title_short | Пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода |
| title_sort | пайка сегнетоэлектрической керамики в атмосфере чистого кислорода |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8519 |
| work_keys_str_mv | AT naidičûv paikasegnetoélektričeskoikeramikivatmosferečistogokisloroda AT sidorenkotv paikasegnetoélektričeskoikeramikivatmosferečistogokisloroda AT naidičûv thebrazingofferroelectricceramicsinpureoxygenatmosphere AT sidorenkotv thebrazingofferroelectricceramicsinpureoxygenatmosphere |