Разработка высокотемпературных сплавов для соединения систем AIN-металл на основе экспериментального изучения и физико-химического моделирования межфазных границ

• Автор: Кольцов, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 218 с. : ил.

1.1. Основные теоретические уравнения теории смачивания. IО

1.1.1. Основные термодинамические соотношения явления смачивания

1.1.1.1. Поверхностное натяжение

1.1.1.2. Уравнение Юнга

1.2. Явление смачивания в системах при отсутствии химического взаимодействия на мсжфазной границе.

1.3. Явление смачивания в системах, сопровождающееся химическое реакцией

на мсжфазной границе.

1.3.1 .Смачивание, сопровождающееся растворением твердой фазы в жидкой

1.3.1.1. Смачивание, сопровождающееся интенсивным растворением твердой фазы в жидкой
1.3.1.2.Растворение твердой фазы в жидкой, приводящее к изменению поверхностной и мсжфазной энергии

1.3.2. Смачивание, сопровождающееся формированием новой фазы на мсжфазной границе

1.3.2.1. Движущая сила реакционного смачивания
а Продукт реакции лучше смачиваем, чем первоначальная подложка
б Формирование менее смачиваемой прослойки на межфазной границе, чем первоначальная подложка
I.3.2.2. Основные теоретические модели, описывающие процесс реакционного смачивания
а Растекание капель, контролируемое химической реакцией
б Растекание капель, лимитированное диффузией активного элемента в жидкой фазе
I.5. Выводы к главе I.
Глава II. Аппаратура и методики измерения основных характеристик явления смачивания при высоких температурах .
II. 1. Методы определения основных поверхностных свойств расплавов.
II. 1.1. Метод лежачей капли.
II. 1.1.1. Метод наносимой капли
II. 1.1.2. Метод переносимой капли
II. 1.1.3. Влияние шероховатости поверхности на определение краевого угла смачивания.
.2. Экспериментальная установка для исследования профиля капли. Оценка
погрешности измерения.
Н.З. Физикохимические свойства нитрида алюминия и основные
экспериментальные результаты по его смачиванию различными металлами и сплавами.
Н.З. 1. Физикохимические свойства нитрида алюминия и его получение
.3.1. Экспериментальные результаты по смачиванию нитрида алюминия жидкими металлами и сплавами.
.4. Требования, предъявляемые к чистоте исследуемых материалов. Методика
их подготовки к исследованиям.
.4.1. Выбор и приготовление подложек для исследования их на смачиваемость.
.4.2. Используемые сплавы.
.5. Методика исследования структуры и строения межфазной границы
кристалл расплав. .
.6. Выводы к главе II.
Глава III. Экспериментальные исследования реакционного смачивания в
системе .металл.
III. 1. Исследование смачивания подложки 1 сплавами .
1.2. Исследование смачивания подложки 1 сплавами i.
1.3. Исследование смачивания 1 сплавами i3i, i3.1
ф 7.8i и i3.7.8i4.5i ат
1.3.1. Термодинамическое описание системы iii.
1.3.2. Смачивание I сплавами i3. 7.8i, i38i
и i3.7.8i4.5i ат
1.4. Влияние отжига I на его смачивание сплавами i38 i
4.5i ат. и 3
1.4.1. Смачивание отожженного нитрида алюминия сплавом i38i4.5i ат
1.4.2. Смачивание отожженного нитрида алюминия сплавом 3
1.5. Смачивание 1 сплавом i3.78 ат
1.6. Выводы к главе III.
Глава IV. Теоретическое моделирование физикохимического взаимодействия исследуемых жидкостей на межфазных границах расплавпар и расплавI. 4 IV. 1. Метод неполяризованных ионных радиусов СНИР.
IV.2. Применение метода СНИР для оценки и уточнения данных о
поверхностном натяжении простых веществ.
IV.3. Оценка поверхностного натяжения изучаемых сплавов.
IV.3.1. Система .
Ф IV.3.2. Система i.
IV.3.3. Система ii.
1V.3.4. Система ii.
IV.3.5. Система ii.
1V.3.6. Система iii.
IV.4. Применение метода СНИР для оценки и прогнозирования смачиваемости
нитрида алюминия металлическими расплавами.
IV.4.1. Сплавы системы .
I V.4.2. Сплавы системы i.
IV.4.3. Сплавы системы iii.
IV.5. Выводы к главе IV.
V. Общие выводы по диссертации.
VI. Литература.
Введение


Для твердых тел, 7Тп и утл различны. Изначально, для каждой грани кристалла существует единое значение сгщ скалярная величина, тогда как гп зависит от
Рис. Создание новой твердой поверхности а разрывом и б упругой деформацией. Кроме того, 0 всегда положительная величина разрыв связей сопровождается совершением необходимой для этого работы, а утл может быть как положительной, так и отрицательной 8. ГтГтГ 3, где с макроскопическая упругая деформация. Отц, т. Одним из первых количественных результатов исследований, описывающих явления, происходящие на границе раздела различных сред, явилось уравнение, выведенное в году Юнгом для угла смачивания твердого тела жидкостью. Отж поверхностные натяжения твердого тела на границах раздела с паром и жидкостью, i поверхностное натяжение на границе раздела жидкости с паром, а в краевой угол смачивания, возникающий в зоне контакта трех фаз ТЖП рис. Смачивание может быть также связано с энергиями связи в жидкости и между твердым телом и жидкостью при помощи метода, представленного на рис. Ожи
Рис. Вывод уравнения Юнга в соответствии с моделью трех сил. Рис. Создание двух единичных поверхностей раздела ЛВ между твердыми телами А и В. Возьмем два тела А и В, согласно каждое из которых может быть как твердым, так и жидким. Отметим, что эти тела должны иметь единичную поперечную поверхность. А п В окружены паром П при постоянной температуре. Свободная энергия будет изменяться в соответствии с обратимым созданием двух новых поверхностей А и В единичной площади рис. ЛВ. Для чистых веществ А и Ву величины 2 сг или 2 твп определяют работу когезии IVс вещества А или В. Величина одп сГдп сгвп в уравнении равна с противоположным знаком работе адгезии, определенной Дюпре в году . КГт2. Физически, работа когезии характеризует интенсивность взаимодействие атомов жидкости друг с другом, тогда как работа адгезии отражает по сутс дела интенсивность взаимодействий между атомами жидкости и твердого тела через поверхность раздела. СО
Учитывая физический смысл работы адгезии 1Уа н поверхностной энергий жп можно сказать, что вышеприведенное уравнение показывает, что смачивание в системе ТЖП является результатом соревнования между силами адгезии между жидкостью и твердым телом, которые способствуют смачиванию, и силами когезии жидкости, которые, стремясь уменьшить отношение поверхности капли к объему, наоборот, стремятся предотвратить формирование общей поверхности между жидкостью и твердым телом. Работу термодинамической адгезии и поверхностные энергии сгш и гтп довольно сложно измерить. Однако, контактный угол смачивания и поверхностное натяжение могут быть получены экспериментально, применяя известные методики. Наиболее используемый метод их измерения метод лежачей капли. Капиллярное давление пропорционально, в соответствии с равновесием Лапласа, поверхностной энергии жп и средней кривизне поверхности в этой точке. Зная массу капли и анализируя ее форму, можно рассчитать ее плотность и поверхностную энергию 0КП жидкости . Как видно из уравнения Юнга , тп и можно представить в виде сил, направленных вдоль поверхности твердого тела. Проектируя все силы на эту поверхность и приравнивая сумму проекций нулю, легко прийти к уравнению . Однако, такой метод не строг, что сделало его на протяжении длительного времени предметом научных дискуссий. Наиболее простой метод, позволяющий вывести уравнение Юнга это уменьшать полную свободную энергию поверхности системы в зависимости от положения линии раздела трех фаз ТЖП, пренебрегая силой притяжения рис. Рис. Перемещение тройной линии капли на расстояние 1х. Отметим, что все выводы данного уравнения, пусть даже более полные, учитывающие кривизну границы раздела жидкостьгаз приводят к тому же самому уравнению, как в случае формирования мениска на вертикальной поверхности , так и в случае капли на подложке . Однако, в , указывается на неубедительность модели трех сил, поскольку две силы, направленные но одной прямой не могут уравновешиваться третьей силой, направленной под углом к этой прямой.