Жидкометаллическое травление тройных стыков зерен в системе Cu-Bi

• Автор: Гулевский, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 163 с. : ил.

Глава 1. Структура тройных стыков и их роль в процессах диффузии, миграции и жидкометаллического травления
1.1. Тройные стыки. Строение и свойства
1.1.1. Кристаллографические принципы описания тройных
стыков
1.1.2. Миграция тройных стыков
1.1.3. Диффузия по тройным стыкам
1.1.3.1. Модель ускоренной диффузии по тройным стыкам
1.1.3.2. Экспериментальные результаты определения коэффициентов диффузии по тройным стыкам
1.2. Жидкометаллическое травление
1.2.1. ЖМТ границ зерен
1.2.1.1. Морфология и кинетика развития канавок ЖМТ
1.2.1.2. Роль фасетирования
1.2.2. ЖМТ тройных стыков
1.3. Постановка задачи
Глава 2. Методика и проведение экспериментов
2.1. Методические особенности эксперимента при исследовании жидкометаллического травления
2.2. Характеристика используемых материалов, выбор системы для исследования
2.3. Изготовление образцов
2.3.1. Подготовка поликристаллических образцов и определение среднего размера зерна
2.3.2. Обработки медных образцов в насыщенном расплаве висмута
2.4. Метод «малоуглового» шлифа
2.4.1. Приготовление «малоуглового» шлифа
2.4.2. Подготовка поверхности шлифа
2.5. Исследование на микроскопе
2.6. Методы количественной обработки микрофотографий
2.6.1. Компьютерная обработка микрофотографий
2.6.2. Определение размера «розеток» по тройным стыкам
2.7. Погрешности измерений
2.7.1. Ошибка в определении глубины проникновения
2.7.2. Ошибка в определении доли заполненных расплавом тройных стыков и границ зерен
2.7.3. Ошибка в определении среднего угла схождения <р канала
по тройному стыку
2.7.4. Измерение температуры

Глава 3. Результаты эксперимента
3.1. Микроскопическое наблюдение образцов
3.2. Результаты количественной обработки микрофотографий
3.2.1. Максимальная глубина проникновения по тройным стыкам
3.2.2. Зависимость размера «розеток» на тройных стыках от расстояния до межфазной поверхности
3.2.3. Зависимость глубины проникновения расплава по тройным стыкам от времени
Глава 4. Обсуждение результатов эксперимента
4.1. Определение температуры смачивания тройных стыков
зерен
4.1.1. Анализ условий смачивания тройных стыков зерен на
основе экспериментальных данных
4.1.2. Теоретический анализ образования жидкометаллической канавки по тройному стыку зерен
4.1.3. Развитие модели для случая, когда энергии границ зерен
Угз;, образующих тройной стык, не равны между собой
4.1.2. Учет вклада от изменения энергии Гиббса АС( при
образовании канавки по тройному стыку
4.2. Обобщенная картина проникновения жидкой фазы по границам зерен и тройным стыкам в поликристалле
4.3. Анализ кинетики роста канавок по тройным стыкам зерен
4.3.1. Неполное смачивание границ зерен и тройных
стыков
4.3.2. Полное смачивание тройных стыков и неполное границ
зерен
4.3.3. Полное смачивание границ зерен и тройных стыков
4.4. Влияние оттока расплава из тройных стыков на глубину проникновения сплошного фронта по границам зерен
Выводы
Литература

Границы зерен и тройные стыки являются важнейшими элементами структуры поликристалла. В то время как границы зерен давно и серьезно изучаются [1-11], тройные стыки лишь в последнее время стали осознаваться как особые линейные дефекты с присущей им структурой, термодинамическими и кинетическими свойствами, определяющие во многих случаях процессы в поликристаллических материалах. Это безусловно относится и к жидкометаллическому травлению (ЖМТ). Как правило, весь процесс взаимодействия происходит на межфазной поверхности жидкость - твердый поликристаллический металл (Ж-Т), и канавки ЖМТ развиваются по границам зерен. Однако, количество тройных стыков, выходящих на эту поверхность, может оказаться весьма значительным. Поэтому возникает вопрос, насколько серьезный вклад могут вносить в ЖМТ тройные стыки и как это учитывать? До сих пор в литературных источниках впрямую это не обсуждалось. Тем не менее, в публикациях [12-15] можно встретить отдельные фразы или упоминания, зачастую даже в форме иллюстраций и микрофотографий, о том, что тройные стыки могут принимать активное участие в ЖМТ. Однако перед тем как приступить непосредственно к рассмотрению процесса ЖМТ приведем краткий обзор того, какие представления о структуре и свойствах тройных стыков существуют на сегодняшний день.

Фазовая диаграмма этой системы [73] представлена на рис. 24. Для нее характерна большая разница температур плавления компонентов. Температура плавления (Тт) Си составляет 1083°С, В! - 271°С. Растворимость висмута в твердой меди при 600°С составляет лишь ~ 0,002 масс, долей (6-10”4 ат) % [74]. В данной системе отсутствуют химические соединения, и имеется вырожденная эвтектика. Растворимость меди в жидком висмуте составляет около 1,6 масс. % при 600°С.
В качестве материалов исследования были использованы катодная Си чистотой 99,996 % (Табл. 3) и В1 чистотой 99,999 %. Исходная структура катодной меди представляла собой поликристалл с размером зерна несколько десятков микрон. По данным производителя получена она была прокаткой с последующим рекристаллизационным отжигом.
Таблица 3. Примесный состав катодной меди.
Элемент ВЇ Бе Те ЭЬ Ав їїе №
По ГОСТ, % 0,0002 0,0002 0,0002 0,0004 0,0005 0,001 0,002
Факт, % 0,00007 0,00012 0,00005 0,00011 0,00007 0,00026 0,00013
Элемент РЬ Бп Б О Zn Р Ае
По ГОСТ, % 0,0005 - 0,0015 0,01 - 0,0015 0,002
Факт, % 0,00027 0,00008 0,00046 0,0012 0,00024 0,00002 0,00058
2.3. Изготовление образцов
Поскольку целью эксперимента являлось изучение процесса жидкометаллического травления в как можно большем количестве тройных стыков зерен, то было принято решение использовать поликристаллические образцы. В этом случае, при среднем размере зерна твердого металла не больше двух-трех десятков микрометров, количество тройных стыков может достигать нескольких сотен на площади в 5ТО4 мкм2 (исследуемая в