Untersuchung der Anisotropie im Benetzungsverhalten flüssiger Al-Cu-Legierungen auf einkristallinen orientierten Al 2 O 3-Substraten

Schmitz, Julianna; Egry, Iván

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-36415

Untersuchung der Anisotropie im Benetzungsverhalten flüssiger Al-Cu-Legierungen auf einkristallinen orientierten Al 2 O 3-Substraten = Examination of the anisotropy of the wetting behaviour of liquid Al-Cu alloys on single crystalline oriented Al2O3-substrates

Schmitz, Julianna (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Julianna Schmitz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangIV, 143 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Egry, Iván (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-02-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36415
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64352/files/3641.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aluminium (Genormte SW) ; Kupfer (Genormte SW) ; Binäre Legierung (Genormte SW) ; Oberflächenspannung (Genormte SW) ; Saphir (Genormte SW) ; Benetzung (Genormte SW) ; Randwinkel (Genormte SW) ; Grenzflächenenergie (Genormte SW) ; Anisotropie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Elektromagnetische Levitation (frei) ; Methode des ruhenden Tropfens (frei) ; liquid aluminium copper alloys (frei) ; saphhire (frei) ; wetting (frei) ; sessile drop (frei) ; anisotropy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das Benetzungsverhalten flüssiger Al-Cu Legierungen und der reinen Metalle auf orientierten einkristallinen Al2O3-Substraten wurde mit der Methode des ruhenden Tropfens untersucht. Dazu wurde eine sogenannte “Sessile Drop Anlage” aufgebaut, die es ermöglicht, Substrat und Tropfenmaterial separat auszuheizen. Die Tropfen werden frisch erzeugt, wenn die Messtemperatur erreicht ist und erst dann auf das Substrat gebracht. Auf diese Weise erreicht man möglichst saubere und definierte Bedingungen am Anfang des Experiments. Die Messungen erfolgten bei moderaten Temperaturen von 1100°C, bei denen das Legierungssystem zwar flüssig ist, aber chemische Reaktionen an der Grenzfläche in diesem als reaktionsträge geltenden System zumindest auf kurzen Zeitskalen nicht sehr ausgeprägt sind. Untersucht wurden unterschiedlich terminierte Al2O3-Oberflächen, die sich durch ihre kristallographische Orientierung in (0001), (11-20) und (1-102) Richtung unterscheiden und auch als C-, A- und R-Oberflächen bezeichnet werden. Reine Cu-Tropfen zeigen auf allen untersuchten Al2O3-Oberflächen nach dem Absetzen einen exponentiellen Anstieg auf einen Benetzungswinkel von etwa 115°. innerhalb von Zeiten in der Größenordnung von 100 s. Der Einfluss der Oberflächen- und Grenzflächenenergien auf den Kontaktwinkel wird anhand der Young-Gleichung diskutiert und eine ansteigende Grenzflächenenergie aufgrund von Deoxidation als wahrscheinlichste Ursache der Zeitabhängigkeit gefunden. Es liegt daher nahe, diesen isotropen Wert als den intrinsischen des Systems Cu/Al2O3 zu interpretieren. Im Unterschied dazu zeigt der Kontaktwinkel von reinem Al auf den orientierten Al2O3-Substraten ein qualitativ völlig anderes Verhalten. Hier steigt er bei C-Substraten etwa doppelt so schnell von ca. 90° auf 115°, also auf einen ähnlichen Wert wie für Cu. Auf den anderen Substraten stellt sich unmittelbar ein Benetzungswinkel um 90° ein, es zeigt sich keine ausgeprägte Zeitabhängigkeit. Dieses anisotrope Verhalten des Kontaktwinkels muss durch intrinsische Effekte der Oberflächen begründet sein. Nahe liegend ist eine Rekonstruktion der C-Oberfläche, die auf O-Verlust bzw. Al-Anreicherung in dieser Oberfläche beruht. Um den Übergang zwischen isotropem Benetzungsverhalten für Cu-reiche Al-Cu-Legierungen und anisotropem Verhalten für Al-reiche Legierungen zu untersuchen, wurden auch die Benetzungswinkel der Legierungen Al50Cu50, Al30Cu70 und Al17Cu83 auf Al2O3 gemessen. Qualitativ ähnelt deren Verhalten dem von reinem Al; auf A- und R-Oberflächen wird das Gleichgewicht häufig unmittelbar erreicht, bei der Benetzung des C-Substrates zeigt sich eine Zeitabhängigkeit. Für jede Legierung liegt der Kontaktwinkel auf C-Substraten nach 300 s bei ca. 120°. Die Startwerte auf unterschiedlichen Oberflächen unterscheiden sich kaum und werden mit Erhöhung des Cu-Anteils immer unbenetzender. Die Anisotropie wird also immer schwächer. Zur Bestimmung der Ablösearbeit an der fest-flüssig Grenzfläche wurde auch die Temperatur- und Zusammensetzungsabhängigkeit der Oberflächenspannung von Al-Cu Legierungen ermittelt. Dies geschah berührungsfrei in Elektromagnetischer Levitation mit der Methode des oszillierenden Tropfens aus dessen Schwingungsfrequenzen. Dabei nutzt man die Eigenschaft der Oberflächenspannung als Rückstellkraft für Oberflächenschwingungen eines schwebenden Tropfens aus. Ihre Temperaturabhängigkeit lässt sich für jede Legierungszusammensetzung durch eine lineare Abnahme beschreiben, wobei sie am stärksten ausgeprägt ist für Al-arme Legierungen, am schwächsten für mittlere Al-Gehalte. Die Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung kann gut beschrieben werden durch thermodynamische Modellrechnungen, die eine reguläre Lösung annehmen. Aus den Oberflächenspannungsdaten und Benetzungswinkeln wurde die Konzentrationsabhängigkeit der Ablösearbeit im System Al-Cu/Al2O3 bei 1100°C bestimmt. Mit Erhöhung des Al-Gehaltes auf bis zu 50 at.% sinkt sie auf rekonstruierten C-Substraten und bleibt bei höheren Al-Gehalten konstant. Für alle anderen Substrate, auch das unrekonstruierte C-Substrat, scheint die Ablösearbeit kaum von der Zusammensetzung abzuhängen. Allenfalls ein leichter Anstieg ist auszumachen, welcher sich wiederum hauptsächlich bei niedrigen Al-Gehalten abspielt. Die Anisotropie der Ablösearbeit für Al-reiche Legierungen liegt bei etwa 50% und ist daher nicht vernachlässigbar. Das beobachtete Verhalten von Kontaktwinkel und Ablösearbeit legt eine Segregation von Al an der Ober- und Grenzfläche des Tropfens nahe. Sie ist wegen der starken Wechselwirkung zwischen Al und O am ausgeprägtesten an den Grenzflächen mit O-reichen Al2O3-Oberflächen, also mit A-, R- aber auch unrekonstruierten C-Substraten.

The wetting behaviour of liquid Al-Cu alloys and pure metals on oriented single crystalline Al2O3-substrates was examined, utilising the sessile drop technique. For this purpose, a sessile drop apparatus was built, which permits independent heating of the substrate and the sample material. Droplets are not created until the desired measurement temperature is reached and are only then deposited on the substrate. Thus the initial conditions of the experiment are clean and as accurately defined as possible. Measurements were performed at moderate temperatures of 1100°C, where the alloys are liquid. There, since this system is considered to be inert, chemical reactions at the interface are negligible, at least on short timescales. Different Al2O3-surfaces were studied, which are terminated by the crystallographic planes (0001), (11-20), and (1-102), also called C-, A-, and R-surfaces. After deposition, pure Cu-droplets show an exponential increase of the wetting angle to a value of about 115° for all investigated Al2O3-surfaces. The timescale of this increase is of the order of 100 s. The effect of surface- and interfacial energies on the wetting angle is discussed considering Young’s equation. The most probable reason for its time-dependence seems to be an increase of the interfacial energy due to deoxidation of the droplet. Therefore it is reasonable to regard the isotropic contact angle value as the intrinsic one of the Cu/Al2O3 system. In contrast, the wetting angle of pure Al metal with the different Al2O3-substrates shows a qualitatively different behaviour. In this system, it rises from about 90° to 115° roughly for C-substrates, twice as fast as in the Cu case but to a comparable value. On the other substrates a wetting angle of about 90° establishes immediately, and no pronounced time dependence is obvious. This anisotropic behaviour of the wetting angle must be due to surface-specific processes, and thus might indicate a surface reconstruction of the C-plane caused by loss of oxygen or enrichment of Al on this surface. In order to study changes in the wetting behaviour of Al-Cu-alloys, which is isotropic for Cu and anisotropic for Al-rich alloys, contact angles of Al50Cu50, Al30Cu70 und Al17Cu83 on Al2O3 were determined. Qualitatively their wetting behaviour resembles that of pure Al; in wetting of A- and R-surfaces, equilibrium is often reached immediately, a time dependence only arises during wetting of C-surfaces. For each alloy composition the wetting angle is about 120° after 300 s. The initial values on distinct surfaces hardly differ and become non-wetting with increasing Cu-content. Hence, anisotropy decreases. To determine the work of adhesion of the solid-liquid interface, the temperature- and composition-dependence of the surface tension of Al-Cu-alloys was also measured. It was deduced from the surface oscillation frequencies of electromagnetically levitated samples employing the oscillating drop method. Here, one utilizes the nature of surface tension as restoring force for surface oscillations of a levitated droplet. For each alloy composition the temperature-dependence of the surface tension can be described by a linear decrease, which is most pronounced for alloys with lower Al-contents and smallest for medium ones. The experimentally determined composition dependence is well described by thermodynamic calculations based on the regular solution approximation. From the surface tension data and wetting angles the concentration-dependence of the work of adhesion within the Al-Cu/Al2O3-system at 1100°C was calculated. On reconstructed C-substrates it decreases, when Al-contents rises up to 50 at.% and remains constant for higher Al-percentages. On all other surfaces, including non-reconstructed C-surfaces, the work of adhesion seems to be independent of alloy composition, but a slight increase might also be identified, again occurring mainly at lower Al-concentrations. The anisotropy of the work of adhesion is about 50% for Al-rich alloys and therefore significant. The observed behaviour of the wetting angle and work of adhesion suggests segregation of Al at surface and interface of the droplet. Due to the strong interaction of Al with O, segregation is most pronounced at interfaces with O-rich Al2O3-surfaces, which are A-, R-, and also non-reconstructed C-planes.

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