![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Проект направлен на исследование смачиваемости металлических поверхностей легкоплавкими металлическими расплавами, создание модели, позволяющей прогнозировать величину равновесных краевых углов смачивания и направленно влиять на смачиваемость и адгезию через состав расплава и модификацию подложки. Несмотря на большой экспериментальный материал, накопленный в данной области, она остается практически эмпирической – количественно прогнозировать смачиваемость практически не возможно. Предполагается, что разрабатываемая модель будет базироваться на линейной зависимости работы адгезии от теплоты смешения для данного расплава на различных подложках. В ходе работы планируется определить краевые углы смачивания, поверхностную энергию твердое/газ и рассчитать межфазную энергию на границе металл / расплав на нескольких модельных системах не образующих интерметаллидов (Pb/Cu, Pb/Ni, Pb/Al, Sn/Al, Sn/Zn) и формирующих интерметаллические соединения (Sn/Cu, Sn/Fe, Al/Ni). Возможность количественно оценивать краевой угол смачивания имеет важное значение для формирования фундаментальных принципов оптимизации важных технологических процессов – пайки, жидкофазного спекания, металлизации погружением
The project aims to study the wettability of metal surfaces fusible metal melts, creating a model to predict the value of the equilibrium boundary wetting angles and directions to influence the wettability and adhesion through the composition of the melt and the substrate modification. Despite the large amount of experimental material accumulated in this field, it has remained largely empirical - quantitatively predict the wettability is almost impossible. It is expected that the developed model will be based on the linear dependence of the work of adhesion of the heat of mixing for the melt on various substrates. During work will determine the contact angles of wetting the surface energy of the solid / gas and calculate the interfacial energy at the metal / melt in several model systems do not form intermetallic compounds (Pb / Cu, Pb / Ni, Pb / Al, Sn / Al, Sn / Zn ) and forming the intermetallic compound (Sn / Cu, Sn / Fe, Al / Ni). The ability to quantify the contact angle is important for the formation of the fundamental principles of optimization of important processes - soldering, the liquid-phase sintering, metallization by immersion
По результатам 1 года выполнения проекта: 1. Подготовлен к работе блок генерации атомарного водорода. Определены условия раскисления Cu, Zn. 2. Запущена и откалибрована установка по измерению поверхностного натяжения твердых поверхностей методом нулевой ползучести 3. Подготовлена к работе печь для отжига образцов в токе водорода 4. Интерферометр на базе МИИ-4 подготовлен для 3-d сканирования поверхности. Разработан оригинальный алгоритм определения параметров канавок термического травления 5. Подготовлены поли- и монокристаллические образцы меди (100, 111, 110) со средней шероховатостью не более 5 нм. Впервые будут получены данные по структуре и подвижности пленок-прекурсоров свинца на поверхности меди в зависимости от ориентации подложки и температуры в диапазоне 450-800 K 6. На медных фольгах будет впервые получен значительный массив данных (порядка 1000 границ зерен) по разориентациям границ и величинам двугранных углов термического травления. Отработана методика введения в медные фольги заданного количества свинца. Подготовлены медные фольги, содержащие различные количества свинца в виде твердого раствора, для экспериментов по измерению поверхностной энергии методом нулевой ползучести. 7. Разработана оригинальная методика получения интерметаллических образцов CuSn. Подготовлены образцы интерметаллидов в виде массивных образцов и пленок на поверхности Cu. 8. Методом МД моделирования гомогенного зародышеобразования впервые предполагается провести расчет межфазной энергии в бинарной системе Pb/Cu при 450 град. С На втором году будут впервые получены краевые углы смачивания расплавами Pb и Sn ряда подложек, с которых ранее не удавалось удалять окисные пленки (Al, Zn). Полученные зависимости поверхностной энергии твердой меди и границ зерен меди от активности свинца будут использованы для анализа механизма адсорбции свинца. Будут синтезированы интерметаллические фазы в системах Sn/Fe и Al/Ni. Методом МД моделирования получена температурная зависимость межфазной энергии в системе твердая медь / расплав на основе свинца. На заключительном этапе выполнения проекта планируется получить двугранные углы термического травления границ зерен в Zn и Sn с использованием атомарного водорода, что позволит впервые получить данные о взаимосвязи энергии границ зерен с разориентировкой в некубических металлических решетках на значительной статистической выборке. На основании сравнения смачиваемости расплавами олова и алюминия интерметаллидов SnCu, SnFe и AlNi со смачиваемостью Cu, Fe и Ni соответственно будет предложена модель, описывающая процесс смачивания при образовании соединения. В итоге планируется выработать модель, позволяющую прогнозировать величину краевого угла смачивания в металлических системах различного типа с учетом адсорбционных процессов на границах раздела фаз.
По результатам 1 года выполнения проекта: 1. Подготовлен к работе блок генерации атомарного водорода. Определены условия раскисления Cu, Zn. 2. Запущена и откалибрована установка по измерению поверхностного натяжения твердых поверхностей методом нулевой ползучести 3. Подготовлена к работе печь для отжига образцов в токе водорода 4. Интерферометр на базе МИИ-4 подготовлен для 3-d сканирования поверхности. Разработан оригинальный алгоритм определения параметров канавок термического травления 5. Подготовлены поли- и монокристаллические образцы меди (100, 111, 110) со средней шероховатостью не более 5 нм. Впервые будут получены данные по структуре и подвижности пленок-прекурсоров свинца на поверхности меди в зависимости от ориентации подложки и температуры в диапазоне 450-800 K 6. На медных фольгах будет впервые получен значительный массив данных (порядка 1000 границ зерен) по разориентациям границ и величинам двугранных углов термического травления. Отработана методика введения в медные фольги заданного количества свинца. Подготовлены медные фольги, содержащие различные количества свинца в виде твердого раствора, для экспериментов по измерению поверхностной энергии методом нулевой ползучести. 7. Разработана оригинальная методика получения интерметаллических образцов CuSn. Подготовлены образцы интерметаллидов в виде массивных образцов и пленок на поверхности Cu. 8. Методом МД моделирования гомогенного зародышеобразования впервые предполагается провести расчет межфазной энергии в бинарной системе Pb/Cu при 450 град. С На втором году будут впервые получены краевые углы смачивания расплавами Pb и Sn ряда подложек, с которых ранее не удавалось удалять окисные пленки (Al, Zn). Полученные зависимости поверхностной энергии твердой меди и границ зерен меди от активности свинца будут использованы для анализа механизма адсорбции свинца. Будут синтезированы интерметаллические фазы в системах Sn/Fe и Al/Ni. Методом МД моделирования получена температурная зависимость межфазной энергии в системе твердая медь / расплав на основе свинца. На заключительном этапе выполнения проекта планируется получить двугранные углы термического травления границ зерен в Zn и Sn с использованием атомарного водорода, что позволит впервые получить данные о взаимосвязи энергии границ зерен с разориентировкой в некубических металлических решетках на значительной статистической выборке. На основании сравнения смачиваемости расплавами олова и алюминия интерметаллидов SnCu, SnFe и AlNi со смачиваемостью Cu, Fe и Ni соответственно будет предложена модель, описывающая процесс смачивания при образовании соединения. В итоге планируется выработать модель, позволяющую прогнозировать величину краевого угла смачивания в металлических системах различного типа с учетом адсорбционных процессов на границах раздела фаз.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Фундаментальные закономерности смачивания в металлических системах |
Результаты этапа: Методом нулевой ползучести получены значения поверхностной энергии твердой меди в присутствии паров свинца, результаты согласуются с полученными ранее данными, основанными на определении краевых углов смачивания в системе Pb/Cu. Показано, что процесс растекание расплава свинца по поверхности монокристалла меди идет в инерциальном режиме по поверхности адсорбционной пленки. В отсутствии адсорбционной плёнки наблюдается переход от инерциального режима к кинетическому, в котором растекание контролируется скоростью распространения пленки-прекурсора. Проведены эксперименты по смачиванию расплавом свинца слоистого материала Сu-Nb. Наблюдается формирование капли с овальным основанием. Краевой угол смачивания поперек слоёв составил 67 град, а вдоль слоев величина краевого угла лежит между значениями краевых углов смачивания Cu и Nb (24 и 67 град. соответственно). Межфазные энергии на границах раздела Pb-Cu/Nb и Cu/Nb были оценены как 0,52 Дж/м^2 и 0,16 Дж/м^2. В медной фольге со сквозным зерном для 515 границ зерен были определены их кристаллографические характеристики, ориентация плоскости и свободная энергия. Рассчитаны отклонения разориентировок ГЗ от специальных значений в рамках теории РСУ. | ||
2 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Фундаментальные закономерности смачивания в металлических системах |
Результаты этапа: Синтезированы плотные однофазные образцы Cu3Sn и Cu6Sn5. Сопоставлены краевые углы смачивания в реактивной системе Sn/Cu в процессе формирования интерметаллида и Sn/Cu3Sn в отсутствие реакции. Показано, что краевой угол смачивания принимает близкие значения в обоих случаях. Разработана система очистки газовой смеси на основе картриджа с покрытым медью цеолитом. Методом нулевой ползучести исследовано влияние второго компонента на поверхностную энергию в системе Ag-Cu. Проанализирована взаимосвязь со смачиванием в данной системе. Проведен анализ статистики встречаемости специальных границ зёрен в поликристаллической меди. Показано, что только границы типа Sigma3, Sigma9 и Sigma33 встречаются более чем в два раза чаще в реальном поликристалле, чем в модельном равномерном распределении границ зёрен по ориентациям Разработана методология определения межфазной энергии в двухкомпонентной металлической системе, основанная на молекулярно-динамическом моделировании процессов роста и растворения зародышей новой фазы. Методика была опробована на модельной системе Pb/Cu. Полученные значения межфазной энергии хорошо согласуются с литературными данными, полученными методом МД моделирования для однокомпонентной системы. | ||
3 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Фундаментальные закономерности смачивания в металлических системах |
Результаты этапа: В ходе заключительного этапа проекта была проанализирована корреляция между краевым углом смачивания и теплотой смешения компонентов. В системах типа металлический расплав/твёрдый металл наблюдается линейная зависимость косинуса краевого угла смачивания от теплоты смешения компонентов. Таким образом можно предположить, что между работой адгезии и теплотой смешения также есть прямая пропорциональность. На системе Pb/(Cu-Co) Исследовано влияние третьего компонента, вводимого в твердый раствор, на смачивание. В случае, когда наблюдается отрицательная адсорбция третьего компонента, он не оказывает значительного влияния на смачивание инертным расплавом. При этом по данным прямых измерений поверхностной энергии твердого раствора методом нулевой ползучести видно значительное (до 10% и более) повышение поверхностной энергии. Данный факт требует дальнейшего изучения. Проведён детальный анализ вклада вращательных компонент в капиллярное равновесие вдоль линии трёхфазного контакта в поликристаллической меди. Показано, что вращательными компонентами нельзя пренебрегать даже в случае границ зёрен общего типа. Предложена схема оценки величины вращательных компонент. Корреляция между положением ближайших низкоиндоксных плоскостей с направлением вращательных компонент не обнаружена, что указывает на необходимость поиска критериев специальных границ не классифицируемых в рамках решётки совпадающих узлов или представлений о пониженной энергии границ зёрен, образующихся низкоиндексовыми плоскостями. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".