Wydarzenia

Zapraszamy na seminarium pt.:

Nanoinżynieria materiałów kowalencyjnych formowanych metodami addytywnymi

Poniedziałek 6 lutego 2023, budynek B-2, room 110

Abstrakt:

Wykład przedstawia nowe zagadnienia nanoinżynierii materiałowej związane z syntezą i addytywnym formowaniem tworzyw kowalencycjnych. Ilustruje sposoby kontroli procesu wytwarzania polikryształów w celu nadania im podwyższonych parametrów konstrukcyjno – funkcjonalnych. Stosując laserową metodę SLS formowania, pokazano sposoby kontrolowania nierównowagowych termodynamicznie reakcji fizykochemicznych występujących na granicach międzyziarnowych. Na przykładzie polikrystalicznego azotku glinu AlN oraz kompozytu Inconel 625-WC zobrazowano procesy dyfuzji masy zachodzące podczas spiekania oraz elementarne zjawiska rozpuszczania i krystalizacji, których efektem jest nadanie materiałom unikalnych właściwości aplikacyjnych. W ten sposób wytworzono gęste polikryształy AlN o przewodnictwie cieplnym l=140-180W/mK oraz homogeniczne pod względem mikrostrukturalnym kompozyty Inconel 625 – WC posiadające znacznie zwiększoną twardość i odporność na ścieranie podczas pracy w agresywnym chemicznym. Pierwsze z tych tworzyw zastosowano do formowania dielektrycznych radiatorów ciepła natomiast drugi materiał wykorzystano do naprawy łopatek turbin generatorów elektrycznych.

Charakterystyka AlN

Azotek glinu to, jeden z najlepszych materiałów podłożowych stosowanych w elektronice i w technologiach wojskowych. Z powodzeniem od drugiej połowy lat dziewięćdziesiątych zastępuje tradycyjne materiały podłożowe takie jak tlenek glinu czy tlenek krzemu. Swoją ekspansje rynkową zawdzięcza przede wszystkim wyjątkowo interesującym właściwościom cieplnym, elektrycznym i chemicznym. Posiada dwie wydawałoby się przeciwstawne cechy: jest dobrym przewodnikiem cieplnym o wartości współczynnika l=140-160W/mK, a jednocześnie charakteryzuje się dużą przerwą energetyczną wynoszącą Ev=6,2eV. Łączy więc w sobie cechy metalicznego przewodnika cieplnego i ceramicznego izolatora elektrycznego. Cechuje się także zbliżonym do czystego krzemu współczynnikiem rozszerzalności cieplnej wynoszącym a=4,6x10-6 co czyni go idealnym materiałem do współpracy z krzemowymi elementami elektronicznymi. Azotek glinu jest wykorzystywany w mikroelektronice czujników gdyż posiada cechy piezoelektryczne. Warto podkreślić, że w porównaniu do GaN i InN zjawisko piezoelektryczności występuje w AlN najsilniej. Kolejną cechą która korzystnie wpływa na stosowanie azotku glinu w elektronice są jego właściwości elektrooptyczne. Duża szerokość elektronowego pasma wzbronionego 6,2eV, odpowiada zakresowi promieniowania o długości od 200 do 250nm. Azotek glinu jest jedynym układem podwójnym zdolnym do emisji tak krótkiego promieniowania, dzięki czemu jest wykorzystywany do produkcji diod luminescencyjnych i laserowych.

Azotek glinu posiada również ciekawe i przydatne własności chemiczne. Jest związkiem odpornym na działanie wodoru do 1973K, chloru do 973K oraz wielu stopionych soli. Temperatury rzędu 973-1473K są cytowane jako początek wyraźnego utleniania w atmosferze suchego bądź wilgotnego powietrza. Ze względu na dużą odporność polikryształów AlN na działanie agresywnych środowisk zasadowych, jest on wykorzystywany przy produkcji tygli do odlewania metali. Przyjmuje się że odporność chemiczna polikryształów AlN przewyższa co najmniej dwukrotnie materiały z Al2O3. Jedną z niewielu negatywnych cech tego tworzywa jest jego wyraźna higroskopijność występująca w stanie silnego zdyspergowania. Proszek AlN o wielkości ziaren poniżej 1µm, wymaga specjalnych warunków przechowywania w atmosferze beztlenowej gdyż, w przeciwnym wypadku potrafi reagować z parą wodną zawartą w powietrzu w podwyższonych temperaturach według prostego równania: AlN+2H2O=AlOOH(amorf.)+NH3 Przyjmuje się że ziarna AlN mogą rozpuszczać tlen w swojej strukturze, tworząc wakancje glinowe, które z kolei są centrami rozpraszania fononów. W efekcie otrzymuje się materiał, którego przewodnictwo cieplne znacznie spada. Jak się wydaje skutecznym sposobem rozwiązania problemów związanych z higroskopijnością ziaren AlN jest otrzymywanie roztworów stałych typu AlN-SiC. Niewielki dodatek krzemu i węgla do struktury azotku powoduje znaczne podwyższenie odporności na działanie pary wodnej mikro lub nanocząstek z AlN.

Obok czystości chemicznej, drugim parametrem kontrolującym przewodnictwo cieplne polikryształów z AlN jest jego mikrostruktura. W literaturze można znaleźć szereg badań dokumentujących wpływ wielkości ziaren i gęstości granic międzyziarnowych na współczynnik l polikryształów AlN. Jednym ze skutecznych sposobów zwiększenia przewodnictwa jest odpowiednia obróbka termiczna tych polikryształów doprowadzająca do nieliniowego rozrostu ziaren. W efekcie obniżamy gęstość granic powodując zmniejszenie rozpraszania fononów. Ważnym elementem przy otrzymywaniu polikryształów AlN o wysokim przewodnictwie cieplnym jest dobór dodatków do spiekania. Spośród wielu stosowanych aktywatorów najbardziej obiecującym wydaje się być tlenek itru tworzący strukturę granatu itrowo-glinowego w punktach potrójnych spieku.