Charakterystyka połączenia metal-ceramika w kompozytach na osnowie Cu wzmocnionych włóknami SiC modyfikowanymi metodą implantacji jonowej

• Autorzy: Matysiak H. , Pisarek M. , Miśkiewicz M. , Kędzierzawski P. , Kurzydłowski K. J. , Janik-Czachor M.

Warianty tytułu

EN

Characteristic of structure and composition of matal/ceramics interphase in Cu matrix composites reinforced SiC fibre modyfied by ion implantation technique

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Kompozyty o osnowie Cu wzmacniane włóknami SiC stanowią grupę materiałów o potencjalnym zastosowaniu w energetyce jądrowej, przemyśle lotniczym, elektrotechnicznym lub elektronicznym, ze względu na wysoką wytrzymałość i przewodność cieplną oraz dobre właściwości termomechaniczne w podwyższonych temperaturach. Jednakże szersze wykorzystanie tych materiałów wymaga poznania ich struktury oraz właściwości, w tym granicy faz włókno-osnowa. W szczególności istotne jest uzyskanie odpowiedniego połączenia pomiędzy metalem a ceramiką, co można osiągnąć na drodze modyfikacji powierzchni włókna metodami fizycznymi - w tym implantacjąjonów Cu. Przedmiotem niniejszej pracy były warstwy przejściowe polepszające adhezję na granicy metal-ceramika. Warstwy te zbadano w aspekcie ich składu chemicznego, struktury i właściwości w kontekście uzyskania oczekiwanych właściwości kompozytu. Do scharakteryzowania topografii powierzchni włókien przed oraz po procesie implantacji użyto mikroskopii SEM (rys. 1 i 2). Natomiast do zbadania składu chemicznego tworzących się warstw przejściowych zastosowano spektroskopię Augera (rys. 3-^5). W celu określenia właściwości wytrzymałościowych powstałych "złącz" metal-ceramika posłużono się testem push-out (rys. 6). Uzyskane wyniki wykazały, że Cu została zaimplantowana na głębokość około 20 nm. Jednocześnie na skutek implantacji uzyskano ,,rozmycie" granicy faz metal-ceramika, co przyczyniło się do powstania warstwy pośredniej (rys. 3). Stwierdzenie powierzchniowego wzbogacenia próbki SiC w Cu na głębokość nie mniejszą niż 3 nm wskazuje, że implantacja stwarza możliwość uzyskania wzmocnionego połączenia SiC-Cu. Zostało to potwierdzone wynikami badań push-out. Połączenie w kompozycie SiC-Cu jest wyraźnie trwalsze w obecności warstwy implantowanej (rys. 6). Również rejestrowane siły tarcia związane z wypychaniem włókien z metalicznej osnowy są wyższe dla kompozytu, w którym włókno było implantowane.

EN

SiC long fibres reinforced Cu matrix composites are candidate materials for thermonuclear power engineering, aircraft industry, electrical and/or electronic industry, as they combine high thermal conductivity with high mechanical strength at high temperatures. Broadening of their appropriate applications requires detailed investigations of the structure and composition of the metal/fibre interphase which play significant role for composite strength and thermal properties. A non-equilibrium method of Cu implantation into the fibre may help to "dilute" the metal/ceramics interphase thus forming a suitable "interlayer" and improving adhesion at the metal/fibre interface. SEM (Fig. 1 and 2) and Auger Electron Spectroscopy (Fig. 3^5) and were used to characterize interphase regions. In order to achieve information about bonding strength at interface a push out tests were carried. Both types of composites were tested; containing implanted and non-implanted fibers to get an insight into the effect of implantation on the composite's integrity. Measured implantation depth for Cu in SCS6 fibres was 20 nm. Because of implantation the composition gradually changes up to fibre surface (Fig. 3). This effect facilitated the bonding at metal/ ceramic interface. Achieved Cu reach layer of depth grater then 3 nm indicate, that implantation technique give opportunity to improve bonding SiC-Cu, what was proved by push-out tests results. Debonding shear stress is significant higher in case of presence Cu reach implanted layer (Fig. 6). After compete debonding friction forces during fibre push out are also higher for implanted fibres.

Słowa kluczowe

PL

połączenia metal-ceramika; kompozyty na osnowie Cu; włókna SiC; metoda implantacji jonowej

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 28, nr 1
• Strony: 11--14
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Matysiak H.

autor

Pisarek M.

autor

Miśkiewicz M.

autor

Kędzierzawski P.

autor

Kurzydłowski K. J.

autor

Janik-Czachor M.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska,

Bibliografia

• [1] Korab J., Stefanik P., Kavecky S., Sebo P., Korab G.: Thermal conductivity of unidirectional copper matrix carbon fibre composites, Composites, Part A 33 (2002) 577-581
• [2] Lin M.H., Buchgraber W., Korb G., Kao P.W.: Thermal cycling induced deformation and damage in carbon fiber reinforced copper composite, Scripta Materialia, 46 (2002) 169-173
• [3] Korab J., Korb G., Stefanik P., Degischer H.P.: Effect of thermal cycling on the microstructure of continuous carbon fibre reinforced copper matrix composites, Composites, Part A 30 (1999) 1023-1026
• [4] Tjong S.C., Lau K.C.: Tribological behaviour of SiC particle-reinforced copper matrix composites, Materials Letters, 43 (2000) 274-280
• [5] Brendel A., Popescu C., Schurmann H., Bolt H.: Interface modification of SiC-fibre/copper matrix composites by applying a titanium interlayer, Surface&Coatings Technology, 200 (2005) 161-164
• [6] Pelleg J., Ruhr M., Ganor M.: Control of the reaction at the fibre-matrix interface in a Cu/SiC metal matrix composite by modyfying the matrix with 2.5 wt.% Fe, Materials Science and Engineering, A212 (1996) 139-148
• [7] Neubauer E., Eisenmenger-Sittner C., Bangert H., Korb G., Thomastik C.: AFM and AES investigations of as-deposited and heat treated copper coatings on glassy carbon surfaces with chromium and molybdenum intermediate layers, Surface&Coatings Technology, 180-181 (2004) 496-499
• [8] Shou-Yi Chang, Su-Jien Lin: Fabrication of SiCW reinforced copper matrix composite by electroless copper plating, Scripta Materialia, Vol.35 No.2 (1996) 225-231
• [9] You J.H., Bolt H.: Overall mecanical properties of fiber-reinforced metal matrix composites for fusion applications, J. of Nucl. Mat. 305 (2002) 14-20
• [10] Wan Y.Z., Wang Y.L., Luo H.L., Dong X.H., Cheng G.X.: Effects of fibre volume fraction, hot pressing parameters and alloying elements on tensile strength of carbon fiber reinforced copper matrix composite prepared by continuous three-step electro deposition, Materials Science and Engineering, A288 (2000) 26-33
• [11] Brandel A., Woltersdorf J., Pippel E., Bolt H.: Titanium as coupling agent in SiC fibre reinforced copper matrix composites, Materials Chemistry and Physics, 91 (2005) 116-123
• [12] Briggs D., Grant J.T., By Ed. : Surface analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy, IM Publications and Surface Spectra Limited, UK, 2003
• [13] J.F.Watts, J.Wolstenholme Ed. By, An introduction to surface analysis by XPS and AES, John Wiley&Sons Ltd., UK, 2003
• [14] N.Chandra, H.Ghonem, Interfacial mechanics of push-out test: theory and experiments, Composites Part A, 32 (2001) 575-584
• [15] M. Kuntz, K.-H.Schlapschi, B.Meier, G.Grathwohl, Evolution of interface parameters in push-out and pull-out tests, Composites, 25/7 (1994) 476
• [16] M.Barlak, W.Olesińska, J.Piekoszewski, M.Chmielewski, J.Jagielski, D.Kaliński, Z.Werner, B.Sartowska, Ion implantation as a pre-treatment method of AlN substrate for direct bonding with copper, Vacuum, 78 (2005) 205-209
• [17] M.Samandi, M.Gudze, P.Evans, Application of ion implantation to ceramic/ metal joining, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 127/128 (1997) 669-672
• [18] R.P Feynman, R.B.Leightan, M.Sands, The Feyman Lectures on Physics, vol.1, California Institute of Technology, 1963, §12-2
• [19] S. Guo, K. Honda, Y. Kagawa, Interface debonding from bottom face and frictional transition during pushout testing of a tungsten fiber-epoxy matrix composite, Composites Science and Technology 65 (2005) 1808–1814
• [20] N. Chandra and C. R. Ananth, Analysis of interfacial behavior in MMCs and IMC by the use of thin-slice push-out tests, Composites Science and Technology 54 (1995), pp. 87-100.