Образование канавок жидкометаллического травления в системе Al-Sn

• Автор: Раков, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с. : ил.

ВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Границы зерен

1.1.1. Структура границ зерен

1.1.2. Поверхностное натяжение границ зерен

1.1.3. Фасетирование границ зерен

1.1.4. Диффузия по границам зерен

1.2. Канавки термического травления (ТК)

1.3. Канавки жидкометаллического травления (ЖК)

1.3.1. Методики проведения экспериментов

1.3.2. Морфологические типы канавок (экспериментальные данные)

1.3.3. Кинетика роста канавок жидкометаллического травления
1.3.4. Теоретические модели развития ЖК
1.3.4.1. Применение модели Маллинса к ЖК
^ 1.З.4.2. Модели, предполагающие основным механизмом зернограничную
диффузию
1.3.4.3. Модели растворения
1.3.4.4. Модель когерентных напряжений
1.3.4.5. Модель «Динамического угла»
1.3.4.6. Модель фасетирования
1.4. Заключение
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Описание системы А1-Бп
2.2. Выращивание образцов
2.3. Предварительная подготовка образцов
2.4. Проведение отжига
2.5. Подготовка поверхности шлифа
щ 2.6. Исследования на микроскопе
2.7. Измерение основных параметров канавок
2.8. Ошибки экспериментов

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
3.1. Общая классификация
3.1.1. Канавки маллинсовского типа
3.1.2. Канавки типа «Клин»
3.1.3. Канавки типа «Палец»
3.2. Температурные зависимости
3.3. Кинетические зависимости
3.4. Итоговая таблица
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
4.1. Итоги экспериментов и перечень основных вопросов
4.2. Зарождение и рост канавок с плоскими стенками при частичном смачивании

4.3. Образование и рост клиновидных канавок в условиях частичного
смачивании
4.4. Образование и рост канавок с параллельными стенками (пальцеобразных канавок)
II1 4.4.1. Кинетический контроль роста
4.4.2. Диффузионный контроль роста
4.5. Таблица с рассмотренными выше механизмами
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Актуальность темы. Известно, что при контакте поликристаллического материала с жидким металлом в месте выхода границы на поверхность образуются канавки жидкометаллического травления (ЖК). Проникновение жидкой фазы по границам зерен зависит от большого числа параметров (температура, энергия внешней поверхности и границ зерен, температура плавления и чистота исходных материалов и т.п.) и представляет собой сложное явление. Знание закономерностей происходящих при этом процессов играет очень важную роль в современных технологиях, в которых применяются поликристаллические, тем более нанокристаллические материалы. Это связано с тем, что свойства таких материалов критически зависят от процессов, происходящих на внутренних границах раздела. Наличие жидкой фазы на поверхности может изменять такие свойства границы как диффузионная проницаемость, энергия, подвижность, адсорбция и т.д. Это особенно важно для случая долговременного контакта твердого поликристаллического материала с жидкой фазой: в процессах смачивания, в ядерной энергетике (долговечность систем охлаждения ядерных реакторов, в которых в качестве теплоносителя используются расплавы металлов), в процессах быстрого (“катастрофического”) окисления и высокотемпературной сверхпластичности, жидкофазного спекания, при пайке, высокотемпературной коррозии и разрушении конструкционных материалов и т.д.
В отличие от канавок термического травления, которые возникают при достаточно высоких температурах по границам зерен в условиях вакуума, механизмы образования канавок жидкометаллического травления изучены недостаточно. Не смотря на наличие большого числа исследований, посвященных данной проблеме, до сих пор не разработаны общепринятые модели. Малое количество надежных экспериментальных данных не позволяет полностью понять термодинамические условия образования различных типов канавок жидкометаллического травления и, особенно, кинетику их эволюции.
Цель работы
1. Экспериментально исследовать образование канавок жидкометаллического травления в системе А1-8п.
2. Классифицировать исследованные канавки жидкометаллического травления по основным типам, ввести характеристические критерии и определить температурные интервалы существования каждого из типов канавок.
3. Определить кинетические законы развития канавок различных типов.
4. Проанализировать и развить теоретические модели, объясняющие существование канавок различных типов, и обосновать кинетические зависимости их роста.
фасетирование может происходить по двум причинам: либо из-за адсорбции примесей, либо из-за низкой температуры.
В качестве доказательства этой модели авторы упоминают профиль канавки, полученной в свой же работе при проникновении чистого РЬ по границам зерен поликристаллического N1 (рис.28А). Видно, что впереди самой канавки видна довольно толстая прослойка РЬ, что указывает на процесс смачивания границы. Однако, становится не понятно, к какой части канавки относить данную теорию. Если речь идет об образовании канавки У-формы (это характерно для верхней части на рисунке 27), то теория описывает развитие не самой канавки, а только ее верхней части. Канавки, представленные на рисунке 18, соответствуют У-образной морфологии, однако, данные канавки образуются в условии неполного смачивания, что не соответствует предположениям теории О положительном значении коэффициента Э = (уь — 271).
Для иллюстрации примера 11-образной формы авторы привели ЖК в системе Си-1п из работы [43] (рис.28Б). Здесь хорошо видны фасетки, образующие стенки канавки. Однако, если рассматривать подобные толстые канавки, образующиеся в условиях смачивания (рис. 15,16), то наблюдаются скорее сглаженные симметричные стенки, чем фасетчатая структура. Кроме того, важно подчеркнуть, что профиль ранее представленной канавки (рис.28Б) был получен при помощи рентгеновского микроанализатора. Это делалось из-за того, что по поверхности канавки выпадала фаза, близкая по составу к самой меди. Возможно, именно этот факт и определяет истинную форму поверхности.
Рис. 28 А- ЖК в системе N1 (поликристалл, чистотой 99,999 ат.%) - РЬ (чистотой 99,9999 ат.%) после отжига в атмосфере Аг-10%Н2 при Т=600°С 1=9.5часов [88]. Б- Профили ЖК в системе Си-1п для Т=990°С на границе с углом разориенторовки 141° (110) [43].