MATERIAŁY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH MATERIAŁY ELEKTRONICZNE ELECTRONIC MATERIALS KWARTALNIK T 4-04 nr 3 Wydanie publikacji dofinansowane jest przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego WARSZAWA ITME 04 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 40, Nr /0

2 INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH ul Wólczyńska 33, 0-99 Warszawa Z-ca Dyrektora ds Naukowych tel: (48 ) fax: (48 ) AndrzejJelenski@itmeedupl Ośrodek Informacji Naukowej i Technicznej (OINTE) tel: (48 ) w 9, ointe@itmeedupl Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych wydaje dwa czasopisma naukowe, których tematyka dotyczy inżynierii materiałowej, elektroniki i fizyki ciała stałego, a w szczególności technologii otrzymywania nowoczesnych materiałów, ich obróbki, miernictwa oraz wykorzystania dla potrzeb elektroniki i innych dziedzin gospodarki: Materiały Elektroniczne zawierające artykuły problemowe, teksty wystąpień pracowników ITME na konferencjach i Biuletyn PTWK, Prace ITME zawierające monografie, rozprawy doktorskie i habilitacyjne oraz stale aktualizowane katalogi i karty katalogowe technologii, materiałów, wyrobów i usług oferowanych przez Instytut i opartych o wyniki prowadzonych prac badawczych, opisy nowych wyrobów, metod i aparatury Informacje można uzyskać: tel: (48 ) w 408; fax: (48 ) itme@itmeedupl MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 40, Nr /0

3 KOLEGIUM REDAKCYJNE Redaktor Naczelny: prof dr hab inż Andrzej JELEŃSKI Redaktorzy Tematyczni: prof dr hab inż Zdzisław JANKIEWICZ dr hab inż Paweł KAMIŃSKI dr Zdzisław LIBRANT dr Zygmunt Łuczyński prof dr hab inż Tadeusz ŁUKASIEWICZ prof dr hab inż Wiesław MARCINIAK prof dr hab Anna Pajączkowska prof dr hab inż Władysław K WŁOSIŃSKI Sekretarz Redakcji: mgr Anna WAGA Redaktorzy Językowi: mgr Anna KOSZEŁOWICZ - KRASKA mgr Krystyna SOSNOWSKA Redaktor Techniczny: mgr Szymon PLASOTA Kwartalnik notowany na liście czasopism naukowych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (3 pkt - wg komunikatu MNiSW z 7 grudnia 03 r) Ocena Index Copernicus - 4,80 Opublikowane artykuły są indeksowane także w bazach danych: BazTech, CAS - Chemical Abstracts Publikowane artykuły mające charakter naukowy są recenzowane przez samodzielnych pracowników naukowych Wersja papierowa jest wersją pierwotną Nakład: 00 egz ADRES REDAKCJI Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul Wólczyńska 33, 0-99 Warszawa, ointe@itmeedupl; www: wwwitmeedupl KONTAKT redaktor naczelny: tel: () lub w 454 z-ca redaktora naczelnego: () w 46 sekretarz redakcji: () w 9 PL ISSN Na okładce: dioda laserowa z dyfrakcyjnym układem formowania wiązki w obudowie HHL spis treści - contents Zmiany parametrów optycznych i elektrycznych diod laserowych na pasmo 808 nm i 880 nm w czasie długotrwałej pracy Changing optical and electrical parameters of laser diodes (LDs) emitting at 808 nm and 880 nm during continuous operation E Dąbrowska, M Teodorczyk, K Krzyżak, M Romaniec, G Sobczak, A Maląg 5 Zgrzewanie tarciowe kompozytów Al/Al ze stopami Al 4400 Joining Al/Al composites and 4400 aluminium alloys by friction welding technique R Siedlec, C Strąk Grafen otrzymywany metodą elektrolityczną na podłożach z węglika krzemu Graphene obtained by electrolytic method on silicon carbide substrates B Stańczyk, L Dobrzański, A Jagoda, M Możdżonek, S Natarajan 0 Repozytorium Cyfrowe Instytutów Naukowych 6 Streszczenia wybranych artykułów pracowników ITME 7 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 40, Nr /0 3

4 Streszczenia artykułów ME Zmiany parametrów optycznych i elektrycznych diod laserowych na pasmo 808 nm i 880 nm w czasie długotrwałej pracy ME 4, 3, 04, s 5 Zaprezentowane zostały zmiany parametrów optycznych i elektrycznych diod podczas długotrwałej pracy: zmniejszenie mocy wyjściowej, zwiększenie prądu progowego jak i zmiana długości fali emisji - dla diod na pasmo 880 nm w kierunku fal krótszych oraz dla diod na pasmo 808 nm w kierunku fal dłuższych Zgrzewanie tarciowe kompozytów Al/Al ze stopami Al 4400 ME 4, 3, 04, s Zgrzewanie tarciowe to jedna z bardziej ekonomicznych metod trwałego łączenia materiałów w stanie stałym Metoda ta umożliwia wykonywanie złączy zarówno jednoimiennych, jak i różnoimiennych w bardzo krótkim czasie Zaletą zgrzewania tarciowego jest możliwość uzyskania złączy o wysokiej jakości Zgrzewanie tarciowe kompozytów z metalami, stwarza nowe możliwości aplikacji z uwagi na fakt, że oba materiały posiadają różne właściwości fizyczne oraz mechaniczne W pracy przeprowadzono próby spajania stopu aluminium 4400 (wg normy PN-EN 706:00) z kompozytami Al/Al W pracy przeprowadzono następujące badania złączy stop aluminium-kompozyt uzyskanych metodą zgrzewania tarciowego: mikroskopowe, twardości, mechaniczne (pomiar wytrzymałości na rozciąganie) Wykonane badania miały na celu ocenę jakości połączenia pomiędzy stopem 4400, a kompozytami na osnowie stopu aluminium wzmacnianymi fazą ceramiczną Al/Al Grafen otrzymywany metodą elektrolityczną na podłożach z węglika krzemu ME 4, 3, 04, s 0 W artykule przedstawiono nową technikę osadzania warstw grafenu na podłożach z węglika krzemu metodą elektrolityczną Polega ona na zastosowaniu jako materiału elektrod grafitu i SiC oraz elektrolitu organicznego poli styrenosulfonianu sodu (PSS) Widma Ramana osadzanych warstw wskazują na to, że otrzymano grafen Istnienie wiązań typu C=C potwierdza spektroskopia FTIR Prowadzono także proces z roztworów na bazie tlenku grafenu Ponadto w procesie z rozcieńczonym elektrolitem uzyskano rzadką odmianę alotropową węglika krzemu - moissanit, który syntetycznie jest produkowany przede wszystkim na potrzeby przemysłu elektronicznego The articles abstracts ME Changing optical and electrical parameters of laser diodes (LDs) emitting at 808 nm and 880 nm during continuous operation ME 4, 3, 04, p 5 The following changes in optical and electrical parameters for diodes during long-term operation are presented: reduction in the output power, increase in the threshold current and change in the emission wavelength for diodes emitting at 880 nm towards shorter wavelengths and for diodes emitting at 808 nm towards longer wavelengths Joining Al/Al composites and 4400 aluminium alloys by friction welding technique ME 4, 3, 04, p Friction welding is one of the most economical processes for durable joining of solid-state materials This technique allows bonding similar and dissimilar materials in a very short time Friction welding of metals and composites opens up new application opportunities due to the fact that these materials have different physical and mechanical properties In the present study, 4400 aluminum alloy was friction welded to Al/Al composite In addition, the following analyses were performed for all joints produced by friction welding: optical microscopy, microhardness measurements and tensile strength measurements All studies were carried out to evaluate the quality of bonding between aluminum alloy and metal matrix composites reinforced with a ceramic phase of Al/Al Graphene obtained by electrolytic method on silicon carbide substrates ME 4, 3, 04, p 0 We present a new electrochemical deposition method of graphene layers on silicon carbide substrates The technological arrangement was comprised of graphite, SiC electrodes and organic electrolyte, ie poly(sodium-4-styrenesulphonate), and in the case of an alternative technique suspension with graphene oxide was applied Graphene layers consisting of flakes were obtained on SiC electrodes, which was concluded based on a Raman Spectroscopy analysis Moreover, during the process with diluted electrolyte solution we achieved a rare allotropic form of silicon carbide called moissanit, which is commonly used in electronic applications MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 40, Nr /0 4

5 E Dąbrowska, M Teodorczyk, K Krzyżak, Zmiany parametrów optycznych i elektrycznych diod laserowych na pasmo 808 nm i 880 nm w czasie długotrwałej pracy Elżbieta Dąbrowska, Marian Teodorczyk, Konrad Krzyżak, Magdalena Romaniec, Grzegorz Sobczak, Andrzej Maląg Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul Wólczyńska 33, 0-99 Warszawa; elzbietadabrowska@itmeedupl Streszczenie: Zaprezentowane zostały zmiany parametrów optycznych i elektrycznych diod podczas długotrwałej pracy: zmniejszenie mocy wyjściowej, zwiększenie prądu progowego jak i zmiana długości fali emisji - dla diod na pasmo 880 nm w kierunku fal krótszych oraz dla diod na pasmo 808 nm w kierunku fal dłuższych Słowa kluczowe: dioda laserowa, test starzeniowy, degradacja diod, elektroluminescencja Changing optical and electrical parameters of laser diodes (LDs) emitting at 808 nm and 880 nm during continuous operation Abstract: The following changes in optical and electrical parameters for diodes during long-term operation are presented: reduction in the output power, increase in the threshold current and change in the emission wavelength for diodes emitting at 880 nm towards shorter wavelengths and for diodes emitting at 808 nm towards longer wavelengths Key words: laser diode, degradation of laser diode, life test, electroluminescence Wprowadzenie Głównym obszarem zastosowań diod laserowych emitujących promieniowanie o długości fali 808 i 880 nm (dalej nazywanych na pasmo 808 i 880 nm) są układy pompowania optycznego laserów na ciele stałym, krystalicznych i ceramicznych Ważnym obszarem są ich zastosowania przemysłowe i medyczne Tolerancja na długość fali emitowanej jest w obu przypadkach dosyć ostra Diody laserowe (LD) zwykle pracują w warunkach podwyższonej temperatury Zachodzące w wyniku tego procesy starzeniowe powodują zmianę parametrów optycznych i elektrycznych w ostateczności prowadząc do uszkodzenia diody Za degradację odpowiadają naprężenia mechaniczne i termiczne generowane głównie podczas procesów Rys Chip laserowy przylutowany do podkładki CuC i chłodnicy Cu Fig Laser chip soldered to CuC heat spreader and Cu heat sink montażowych Montaż obejmuje obróbkę mechaniczną (wyodrębnienie chipa z płytki po processingu), trwałe przymocowanie chipa do podłoża poprzez lutowanie i przyłączenie wyprowadzeń zewnętrznych (montaż drutowy) [] Procedura lutowania polega na zespoleniu dwóch materiałów (chipa i podłoża o niedopasowanych współczynnikach rozszerzalności termicznej) metalicznym lutowiem, który topi się i tężeje łącząc się z oboma materiałami [] Na Rys pokazano schematycznie chip przylutowany do podłoża CuC i do chłodnicy Cu Naprężenie mechaniczne powstające podczas lutowania powoduje powstawanie dyslokacji w sieci krystalicznej chipa To z kolei przyczynia się do wzrostu gęstości liczby centrów rekombinacji niepromienistej, wzrostu prądu progowego i zmniejszenia zewnętrznej wydajności kwantowej Rozwój sieci dyslokacji w trakcie pracy LD zależy od: - wymiarów chipa, - różnicy współczynników rozszerzalności termicznej (CTE) chipa, podkładki, chłodnicy, lutowia, - temperatury krzepnięcia lutowia, - grubości każdej warstwy montażowej tj chipa, podkładki, chłodnicy, lutowia, - płaskości i jednorodności grubości lutowia Jakość powierzchni bocznych i krawędzi chipu oraz mikro-urazy i inne wady chipu wprowadzają naprężenia mogące powodować pęknięcia chipu [3] Istnieje korelacja pomiędzy naprężeniem a czasem życia urządzenia [4] Naprężenie indukowane montażem deformuje wszystkie warstwy heterostruktury Do QW przechodzi od /4 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04 5

6 Zmiany parametrów optycznych i elektrycznych diod laserowych na pasmo nawet do / naprężenia pochodzącego od montażu Za koniec życia lasera przyjmuje się moment, kiedy straci on 0 % swojej pierwotnej mocy [5] W artykule przedstawione są zmiany parametrów optycznych diod laserowych na pasmo 808 i 880 nm w czasie ich pracy w warunkach cw a) Badania Diody emitujące promieniowanie laserowe w pasmach λ = 808 nm i 880 nm zostały wykonane z zastosowaniem heterostruktur DBSCH (AlGaAs/GaAs) z naprężonymi studniami kwantowymi (QW) z GaAsP (808 nm naprężenie ściskające) oraz InGaAs (880 nm naprężenie rozciągające ) jako warstwami aktywnymi Do badań mocy optycznych, prądów progowych i charakterystyk spektralnych przeznaczono diody laserowe na pasmo 808 nm o długości rezonatora i 3 mm z obszarem aktywnym o szerokości 90 μm Diody na pasmo 880 nm, również o długości rezonatora i 3 mm były wykonane z obszarem aktywnym o szerokości 80 μm Paski aktywne były definiowane poprzez implantację jonów He+ (E = 60 kev dla 880 nm oraz E = 30 kev dla 808 nm) przez metalizację TiPt i maskę fotorezystu Dla wszystkich diod obliczono rezystancję termiczną R th Była ona stosunkowo wysoka ze względu na małe wymiary chłodnicy (klocki Cu o wymiarach 4 mm x 7 mm x mm) nie nadążającej odprowadzać ciepła z obszaru aktywnego Ale tylko dla tak zmontowanych diod można było przeprowadzić badania starzeniowe R th liczono ze zmian położenia maksimum charakterystyki spektralnej ze zmianą wielkości wstrzykiwanego prądu przy pracy ciągłej [6] Wg autorów [3] dla poprawnego działania diody chłodnica Cu powinna mieć wymiar co najmniej 0 krotny wymiar chipa Przy tak małych stosowanych chłodnicach mamy do czynienia z podwyższoną rezystancją termiczną diody, a co za tym idzie ze zwiększeniem temperatury złącza Oznacza to, że prowadzone testy były przyspieszonymi testami starzeniowymi Współczynnik przyspieszenia wynosił ~ [7] b) c) 3 Wyniki Rys Wyniki pomiarowe dla diody LD c na pasmo 880 nm: a) zmiana długości fali emisji, b) zmiana prądu progowego, c) zmiana mocy optycznej Fig Measurement results for LD c emitting at 880 nm: a) change in wavelength, b) change in threshold current, c) change in optical power Dla 70 % badanych diod na pasmo 880 nm i 60 % diod na pasmo 808 nm zarejestrowano degradację stopniową Na Rys pokazano przykładowe wyniki dla diody DL c na pasmo 880 nm z długością rezonatora mm Rezystancja termiczna R th = 7, ± 0,5 C/W, co było wynikiem poprawnym dla tych diod i dla tego typu chłodnic Dla diody DL c w czasie trwania testu starzeniowego do 500 h wzrasta prąd progowy, zmniejsza się moc diody, przesunięciu ulega charakterystyka spektralna w kierunku fal krótszych (Rys ) Po ~ 500 h moc diody i prąd progowy ustabilizowały się, natomiast charakterystyka spektralna w dalszym ciągu, choć zdecydowanie wolniej przesuwa się w kierunku fal krótszych Badania starzeniowe dla diody przerwano po 3000 h Natomiast dla diody LD E na pasmo 808 nm z długością rezonatora mm, przy postępującej powolnej degradacji parametrów elektrooptycznych obserwuje się stałe przesuwanie się charakterystyki spektralnej tym 6 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04

7 E Dąbrowska, M Teodorczyk, K Krzyżak, a) QW QW b) Rys 4 Zdjęcie SEM : góra rozmyta studnia kwantowa dla diody z długim czasem pracy, dół studnia kwantowa dla diody przed badaniami starzeniowymi Fig 4 SEM image: top fuzzy quantum well for diodes with long life, bottom - quantum well diode before aging tests c) Rys 3 Wyniki pomiarowe dla diody LD E na pasmo 808 nm: a) zmiana długości fali emisji, b) zmiana prądu progowego, c) zmiana mocy optycznej Fig 3 Measurement results for a LD E emitting at 808 nm: a) change in wavelength, b) change in threshold current, c) change in optical power razem w kierunku fal dłuższych (Rys 3) Dla tej diody badania przerwano po 950 h Rezystancja termiczna diody wynosiła R th = 7 ± 0,4 C/W Dla diod o długim czasie pracy, dla których nie zaobserwowano defektów, ale powolną degradację parametrów elektro-optycznych zaobserwowano na zdjęciach SEM rozmycie studni kwantowej (QW) [8] Na Rys 4 pokazano widok QW dla diody z długim czasem pracy, dla której następowały powolne zmiany parametrów elektrycznych i optycznych oraz widok QW diody przed badaniami starzeniowymi Dla diod na pasmo 880 nm z długim czasem pracy obserwuje się najprawdopodobniej dyfuzję In na zewnątrz studni kwantowej Powoduje to zmniejszanie naprężenia ściskającego i w konsekwencji przesuwanie charakterystyki spektralnej w kierunku fal krótszych Natomiast dla diod na pasmo 808 nm mamy najprawdopodobniej do czynienia z dyfuzją P ze studni kwantowej co powoduje zmniejszenie naprężenia rozciągającego i powolne przesuwanie charakterystyk spektralnych w kierunku fal dłuższych Diody na pasmo 808 nm są wrażliwsze na naprężenia od diod na pasmo 880 nm najprawdopodobniej z powodu konstrukcji heterostruktury Odległość od kontaktu p do QW dla diod na 808 nm wynosi ~,4 μm, dla diod 880 nm ~ 3,8 μm Dlatego wydaje się, że do QW diod na 808 nm dochodzi większa część naprężeń niż do QW diod na 880 nm Stąd obserwuje się dla nich znacznie krótszy czas życia w porównaniu z diodami na pasmo 880 nm Na Rys 5 pokazane są charakterystyki dla przykładowej diody LD i na pasmo 880 nm o długości rezonatora 3 mm Dioda ta straciła 0 % swojej mocy już po 00 h, a 50 % po 600 h Dla wszystkich diod na pasmo 880 nm, dla których charakterystyki spektralne przesuwają się w obu kierunkach, tak jak dla diody LD i, obserwuje się w końcowym obrazie elektroluminescencji linie defektowe (tutaj w środku chipa) prostopadłe do osi rezonatora Linie te rozwijają się bardzo szybko i ostatecznie prowadzą do całkowitej degradacji diody Również dla diod na pasmo 808 nm przy przesuwaniu się charakterystyk spektralnych podczas pracy w różnych kierunkach pojawiają się defekty uwidocznione w obrazie elektroluminescencji W tym przypadku pojawiają się plamy rozwijające się pod kątem 45 do osi rezonatora (Rys 6) Rezystancja termiczna przedsta- MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04 7

8 Zmiany parametrów optycznych i elektrycznych diod laserowych na pasmo a) b) c) d) Rys 5 Wyniki pomiarów dla diody LD i: a) zmiana mocy optycznej, b) obraz elektroluminescencji przed i po 600 h pracy w warunkach przyspieszonych, c) zmiana długości fali emisji, d) zmiana prądu progowego Fig 5 Measurement results for LD i: a) change in optical power, b) electroluminescence image before and after 600 h under accelerated conditions, c) change in wavelength, d) change in threshold current a) b) c) d) Rys 6 Wyniki pomiarów dla diody LD cf5: a) zmiana długości fali emisji, b) zmiana prądu progowego c) obraz elektroluminescencji po 50 h pracy w warunkach przyspieszonych, d) zmiana mocy optycznej Fig 6 Measurement results for LD cf5: a) change in wavelength, b) change in threshold current, c) electroluminescence image after 50 h under accelerated conditions, d) change in optical power 8 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04

9 E Dąbrowska, M Teodorczyk, K Krzyżak, Rys 7 Charakterystyki niskoprądowe w warunkach impulsowych dla diod na pasmo 808 nm i 880 nm z różnym stopniem uszkodzenia Fig 7 Low-current characteristics under pulse conditions for diodes emitting at 808 nm and 880 nm, with varying degree of damage wionej diody LD cf5 była podwyższona i wynosiła R th = 7,9 ± 0,5 C/W Na obrazie elektroluminescencji widoczny jest obszar zdegradowany w tylnej części diody Na Rys 6 pokazano także zmianę charakterystyk mocowo-prądowych i spektralnych Dioda po 50 h pracy, po przeprowadzonych pomiarach spektralnych uległa całkowitej degradacji Duże zmiany obserwuje się również w pomiarach impulsowych charakterystyk niskoprądowych Wyniki dla diod z różnym stopniem uszkodzenia pokazane są na Rys 7 Diody o dłuższym czasie pracy po badaniach starzeniowych charakteryzowały się dużymi upływnościami Charakterystyki I-V miały obniżony przebieg w stosunku do diod przed badaniami starzeniowymi Należy przypuszczać, że w obszarach aktywnych tych diod pojawiły się zmiany: punkty defektowe lub rozmycie studni kwantowej Prąd upływu jest spowodowany przepływem prądu elektronowego z obszaru aktywnego do warstwy p-claddingowej i prądu dziurowego z obszaru aktywnego do warstwy n-claddingowej (jest dużo mniejszy = /00 elektronowego) Również diody z liniami defektowymi (na pasmo 880 nm) lub obszarami zdefektowanymi (na pasmo 808 nm) widocznymi w obrazie elektroluminescencji miały zmienione charakterystyki niskoprądowe 4 Podsumowanie Po przebadaniu 4 diod na pasmo 808 i 30 diod na pasmo 880 nm stwierdzono że: - rozmiar defektów ujawnionych w obrazie elektroluminescencji zwiększa się bardzo szybko Defekty pojawiają się przede wszystkim tam, gdzie występują większe naprężenia Defekty punktowe czy też dyslokacje mogą indywidualnie tworzyć się w obszarze aktywnym podczas wzrostu kryształu czy też podczas montażu W wyniku defektu wzrasta liczba centrów rekombinacji niepromienistej prowadząc do wzrostu absorpcji, co powoduje wzrost prądu progowego i zmniejszenie wydajności kwantowej [9], - charakterystyki spektralne diod na pasmo 808 nm podczas długotrwałej pracy przy zasilaniu cw, gdy nie ma defektów widocznych w obrazie elektroluminescencji przesuwają się w kierunku długofalowym Jeśli pojawiają się defekty, charakterystyki te przesuwają się w przypadkowych kierunkach, - dla diod na pasmo 808 nm pojawiające się w obrazie elektroluminescencji plamy defektowe rozchodzą się pod kątem 45 do osi rezonatora Większe obszary defektowe wytworzone są z punktów defektowych działających jak centra rekombinacji niepromienistej, wspierających tworzenie się nowych punktów defektowych [0] Dla 0 % przebadanych diod na pasmo 808 nm zaobserwowano obszary defektowe, - charakterystyki spektralne diod na pasmo 880 nm podczas długotrwałej pracy przy zasilaniu cw, gdy brak jest defektów widocznych w obrazie elektroluminescencji przesuwają się w kierunku krótkofalowym Jeśli pojawiają się defekty, charakterystyki te przesuwają się w przypadkowych kierunkach, - dla diod na pasmo 880 nm pojawiające się w obrazie elektroluminescencji linie defektowe rozchodzą się prostopadle do osi rezonatora Wzrost linii defektowych jest typowym procesem wydłużania dyslokacji jako konsekwencja oddziaływania pomiędzy dyslokacjami i ładunkami mniejszościowymi (z injekcji elektrycznej) w obszarze aktywnym oraz generację optyczną spowodowaną samo absorpcją światła laserowego wewnątrz studni kwantowej [9] Dla 7 % przebadanych diod na pasmo 808 nm zaobserwowano linie defektowe, - dla diod o długim czasie pracy, dla których nie zaobserwowano defektów, ale tylko lekką degradację parametrów elektro-optycznych zaobserwowano na zdjęciach SEM rozmycie QW, - diody o dłuższym czasie pracy po badaniach starzeniowych charakteryzowały się dużymi upływnościami widocznymi w pomiarach impulsowych Zmiany zachodzące w długo pracujących diodach są MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04 9

10 Zmiany parametrów optycznych i elektrycznych diod laserowych na pasmo nieuniknione Niski uzysk na etapie prac badawczych nie w pełni odzwierciedla uzyski otrzymywane podczas ustabilizowanej technologii produkcyjnej Literatura [] Tomm J W, Gerhardt A, Müller R, Malyarchuk V, Sainte-Marie Y, Galtier P, Nagle J, Landesman J P: Spatially resolved spectroscopic strain measurements on high-power laser diode bars, Journal of Applied Physics, 003, 93, 3 [] Fritz M A, Cassidy D T: Cooling rate in diode laser bonding, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 004, 7, [3] Zimmer J, Palen E : Diamont heat spreaders maximize emitter power and lifetime, Laser Focus World 006, 4 5, S - S4 [4] Martin E, Landesman J P, Hirtz J P, Fily A: Microphotoluminescence mapping of packaging-induced stress distribution on high-power AlGaAs laser diodes, Applied Physics Letters, 999,75, 7 [5] Häusler K, Zeimer U, Sumpf B, Erbert G, Tränkle G: Degradation model analysis of laser diodes, J Mater Sci: Mater Electron, 008, 9, S60-64 [6] Dąbrowska E, Maląg A: Comparison of measurement methods of laser diode s thermal resistance, Electrical Rev (Przegląd Elektrotechniczny), 0, 4, 3-38 [7] Pliska A C, Mottin J, Matuschek N, Bosshard Ch: Bonding semiconductor laser chip: substrate materials figure of merit and die attach layer influence Belgirate, Italy, 8-30 September 005 [8] Chu S N G, Chand N, Joyce W B: Generic degradation mechanism for 980 nm In x Ga -x As/GaAs strained quantum-well lasers, Applied Physics Letters, 00, 78, [9] Xia R, Larkins E C, Harrison I, Andrianov S R A, Morgan J, Landesman J P: Mounting-induced strain threshold for the degradation of high-power AlGaAs laser bars, IEEE Photonics Technology Letters, 00, 4, 7 [0] Juan Jimenez C R: Laser diode reliability: crystal defects and degradation modes, Physique, 003, 4, MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04

11 R Siedlec, C Strąk Zgrzewanie tarciowe kompozytów Al/Al ze stopami Al 4400 Robert Siedlec, Cezary Strąk Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul Wólczyńska 33, 0-99 Warszawa; robertsiedlec@itmeedupl Streszczenie: Zgrzewanie tarciowe to jedna z bardziej ekonomicznych metod trwałego łączenia materiałów w stanie stałym Metoda ta umożliwia wykonywanie złączy zarówno jednoimiennych, jak i różnoimiennych w bardzo krótkim czasie Zaletą zgrzewania tarciowego jest możliwość uzyskania złączy o wysokiej jakości Zgrzewanie tarciowe kompozytów z metalami, stwarza nowe możliwości aplikacji z uwagi na fakt, że oba materiały posiadają różne właściwości fizyczne oraz mechaniczne W pracy przeprowadzono próby spajania stopu aluminium 4400 (wg normy PN-EN 706:00) z kompozytami Al/Al W pracy przeprowadzono następujące badania złączy stop aluminium-kompozyt uzyskanych metodą zgrzewania tarciowego: mikroskopowe, twardości, mechaniczne (pomiar wytrzymałości na rozciąganie) Wykonane badania miały na celu ocenę jakości połączenia pomiędzy stopem 4400, a kompozytami na osnowie stopu aluminium wzmacnianymi fazą ceramiczną Al/Al Słowa kluczowe: zgrzewanie tarciowe, kompozyt, ceramika, stop Al Joining Al/Al composites and 4400 aluminium alloys by friction welding technique Abstract: Friction welding is one of the most economical processes for durable joining of solid-state materials This technique allows bonding similar and dissimilar materials in a very short time Friction welding of metals and composites opens up new application opportunities due to the fact that these materials have different physical and mechanical properties In the present study, 4400 aluminum alloy was friction welded to Al/Al composite In addition, the following analyses were performed for all joints produced by friction welding: optical microscopy, microhardness measurements and tensile strength measurements All studies were carried out to evaluate the quality of bonding between aluminum alloy and metal matrix composites reinforced with a ceramic phase of Al/Al Key words: friction welding, composite, ceramic, aluminum alloy Wprowadzenie Stosowanie materiałów kompozytowych wytwarzanych na osnowie stopów lekkich niesie szereg korzyści Szczególne znaczenie ma tutaj grupa materiałów kompozytowych wytwarzana na osnowie stopów aluminium wzmacnianych fazą ceramiczną Al Kompozyty na bazie stopów Al znajdują coraz szersze zastosowanie, szczególnie w konstrukcjach obciążonych, spełniając wysokie właściwości wytrzymałościowe Dodatkowo charakteryzują się one odpornością na korozję, wyższą odpornością na zużycie w połączeniu z niską gęstością i niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej Coraz częściej stosuje się je tam, gdzie istotne jest zmniejszenie masy podzespołów, przy jednoczesnym zachowaniu parametrów mechanicznych Obszarem potencjalnego zastosowania materiałów kompozytowych jest przemysł motoryzacyjny Biorąc pod uwagę wymagania i jednoczesne zmniejszenie kosztów produkcji kluczowe jest opracowanie nowych technologii łączenia kompozytów z innymi materiałami Jedną z takich metod jest zgrzewanie tarciowe Materiałem podstawowym wykorzystywanym podczas badań był stop aluminium 4400, który znajduje zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym na elementy silników spalinowych (tłoki, głowice) Do wytworzenia materiałów kompozytowych z grupy Al/Al wykorzystano również stop 4400, który stanowił osnowę Jako wzmocnienie kompozytu zastosowano cząstki ceramiczne tlenku glinu Wykorzystywane w pracy materiały kompozytowe wytworzono metodą infiltracji ciśnieniowej kształtek ceramicznych o porowatościach 70 % oraz 80 % Zarówno wybór stopu jak i materiałów kompozytowych stosowanych w pracy nie był przypadkowy Stop aluminium typu 4400 jest jednym z częściej stosowanych w przemyśle samochodowym, a użyte kompozyty opracowano w ramach projektu KomCerMet (POIG /08-00) właśnie w celu podniesienia właściwości (istotnych z punktu widzenia zastosowań w motoryzacji) czystego stopu Stosowanie kompozytów o dwóch różnych zawartościach fazy ceramicznej miało wykazać, który z nich będzie miał większy potencjał aplikacyjny Podczas procesu zgrzewania tarciowego następuje zamiana energii kinetycznej w energię cieplną wskutek tarcia Cały proces polega na łączeniu w stanie stałym dwóch elementów, przy czym jeden z nich umieszczony jest w nieruchomym uchwycie, a drugi poddany jest ruchowi obrotowemu względem ich osi Materiały są zbliżane do siebie, a następnie zostaje zadane tarcie pochodzące od siły docisku P t (Rys ) W wyniku tarcia łączonych powierzchni wytwarza się ciepło Powierzchnie zgrzewanych materiałów nagrzewają się do wysokiej temperatury, bliskiej temperaturze topnienia metalu, jednak jej nie przekraczają Po zatrzymaniu obrotów materiały dociskane są jeszcze siłą P s, zazwyczaj większą od siły P t Silnie MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04

12 Zgrzewanie tarciowe kompozytów Al/Al ze stopami Al 4400 Tab Skład chemiczny stopu Al 4400 Tab Chemical composition of 4400 Al alloy Skład chemiczny Fe Si Mn Ti Cu Zn Pozostałe max 0,5-0,35 0,5 0,05 0, 0,5 0,55 3,5 Stop 4400 charakteryzuje się bardzo dobrymi własnościami odlewniczymi Jego mikrostruktura została przedstawiona na Rys Wybrane właściwości stopu 4400 zebrano w Tab Rys Przebieg procesu zgrzewania tarciowego: a) nadanie elementowi A prędkości obrotowej n, b) docisk łączonych elementów siłą P t, c) zwiększenie siły docisku po zatrzymaniu obrotów [] Fig Friction welding process: a) giving element A rotational speed, b) pressure force on welded elements, c) increasing pressure force after stopping rotation [] uplastyczniony materiał ze strefy tarcia przesuwa się do wypływki, następuje skrócenie s łączonych elementów [] Główną cechą, którą muszą się odznaczać złącza kompozyt metal jest najczęściej wysoka wytrzymałość mechaniczna w warunkach znacznych amplitud temperaturowych Jest to zagadnienie utrudnione ze względu na wysoką twardość i kruchość materiałów kompozytowych Zatem uzyskanie złącza metal-kompozyt o wysokiej jakości sprowadza się do ukształtowania odpowiedniej warstwy przejściowej pomiędzy tymi materiałami Dodatkowo, podczas łączenia materiałów o różnych właściwościach pojawiają się problemy wynikające z występowania różnic twardości, temperatury topnienia, przewodności cieplnej oraz mikrostruktury Zgrzewanie tarciowe umożliwia uzyskanie połączenia dwóch materiałów różnoimiennych, których właściwości fizykochemiczne są odmienne Dzięki technice zgrzewania tarciowego uzyskuje się złącza bardzo wysokiej jakości, w krótkim czasie Zgrzewanie tarciowe stopu Al 4400 z kompozytami Al/Al Charakteryzacja materiałów Materiałem wyjściowym wykorzystywanym w pracach był stop aluminium 4400 zawierający następujące pierwiastki stopowe: Si, Fe, Cu, Mg i Ni (Tab ) Materiał ten należy do grupy stopów eutektycznych - wysoka zwartość krzemu - % Stopy Al Si tworzą eutektykę przy składzie,7 % Si, o temperaturze topnienia 577 C złożoną z kryształów roztworu stałego krzemu w aluminium i roztworu stałego β aluminium w krzemie Rys Mikrostruktura stopu 4400 Fig Microstructure of 4400 Al alloy Tab Wybrane właściwości stopu 4400 Tab Selected properties of 4400 aluminum alloy Materiał: Gęstość Cp [g/cm 3 ] [J/(g*K)] α 0-6 [/K] Czyste Al,66 0,9 3,86 Stop Al (4400),64 0,9 3,86 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04

13 R Siedlec, C Strąk Przeprowadzono pomiar twardości stopu 4400 metodą Vickersa na urządzeniu Struers Durascan 0 Uzyskano średnią twardość stopu: 5 HV [0,3] (odchylenie standardowe σ =,6) Do prób zgrzewania ze stopem aluminium 4400 wykorzystano materiały kompozytowe wytworzone na bazie odlewniczego stopu aluminium 4400 Wykorzystane w pracy kompozyty wytworzone zostały przez Politechnikę Wrocławską Wykorzystano dwa rodzaje materiału kompozytowego: stop Al 4400 umacniany cząstkami Al (rozmiar rzędu 3-6 μm) o udziale objętościowym 30 % Zastosowano kształtkę ceramiczną o porowatości 80 % Badania struktury potwierdzają dobre rozmieszczenie fazy ceramicznej Al w kompozycie Średnia twardość kompozytu zmierzona metodą Vickersa wyniosła 0 HV[0,3] (σ = 0,9) Próby zgrzewania tarciowego Próby łączenia stopu aluminium 4400 z kompozytami Al/Al przeprowadzono na zgrzewarce tarciowej HARMS WENDE HWH model RSM00 umożliwiającej zgrzewanie materiałów osiowo-symetrycznych (Rys 5) Zgrzewarka ta umożliwia przeprowadzenie prób łączenia materiałów w następującym zakresie parametrów: prędkość obrotowa głowicy: rpm, siła tarcia: kn, siła spęczania: kn, czas tarcia/spęczania: ms Rys 5 Zgrzewarka tarciowa H&W RSM00 Fig 5 H&W RSM00 friction welding system Rys 3 Mikrostruktura kompozytu Al % Al Fig 3 Microstructure of 4400 Al + 30 % Al composite Kompozyt objętościowy, którego osnową jest stop 4400, wzmocnienie stanowi kształtka ceramiczna o porowatości 70 % Badania mikroskopowe wykazały, iż cząstki tlenku glinu są równomiernie rozmieszczone w osnowie stopu Średnia twardość kompozytu zmierzona metodą Vickersa wynosiła 40 HV [0,3] (σ = 3,3) Kompozyt charakteryzuje się wysoką twardością, prawie trzykrotnie wyższą niż stop aluminium 4400 stop Al 4400 umacniany cząstkami Al (rozmiar rzędu 3-6 μm) o udziale objętościowym 0 % Rys 6 Materiały wykorzystywane do prób zgrzewania Fig 6 Specimens used for friction welding Wszystkie zgrzewane materiały miały postać prętów o średnicy Ø8 mm o płaskich powierzchniach czołowych Długość zgrzewanych materiałów wynosiła 5 mm (Rys 6) Schemat prób zgrzewania stopu Al z kompozytami przedstawiono na Rys 7 Próbka aluminiowa U S Rys 4 Mikrostruktura kompozytu Al % Al Fig 4 Microstructure of 4400 Al + 0 % Al composite Rys 7 Schemat procesu zgrzewania tarciowego: U - próbka ze stopu aluminium umieszczona w obrotowym wrzecionie, S - materiał kompozytowy umieszczony w nieruchomym uchwycie Fig 7 Scheme of friction welding process: U - Al alloy specimen mounted on rotary spindle, S - composite material in stationary clamp MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04 3

14 Zgrzewanie tarciowe kompozytów Al/Al ze stopami Al 4400 mocowana była w obrotowym wrzecionie U Materiał kompozytowy umieszczano w nieruchomym uchwycie S z dociskiem pneumatycznym Przeprowadzono szereg prób i wstępnych badań uzyskanych złączy Parametry procesu zgrzewania tarciowego z części przeprowadzonych prób zestawiono w Tab 3 Rys 8 przedstawia obraz z ekranu komputera z warunkami zgrzewania w funkcji czasu dla złącza: 4400/ % Al (próbka nr 4) Na schemacie z Rys 0 przedstawiono warunki zgrzewania w funkcji czasu dla złącza: 4400/ % Al (próbka nr 5), natomiast na Rys przedstawiono otrzymane złącze dla tych warunków Tab 3 Warunki zgrzewania tarciowego dla stopu Al 4400 z kompozytami Al Tab 3 Friction welding conditions for Al alloy joined with Al composites Nr próbki Materiał kompozytowy Prędkość obrotowa (obr/min) Czas tarcia (ms) Czas spęczania (ms) Siła docisku w fazie tarcia (bar) Siła docisku w fazie spęczania (bar) Ciśnienie w fazie tarcia [MPa] Ciśnienie w fazie spęczania [MPa] %-obj Al ,5, %-obj Al ,5, %-obj Al ,0, %-obj Al ,6 0,8, %-obj Al ,5, %-obj Al ,5,0 Rys 8 Przebieg warunków zgrzewania w funkcji czasu dla złącza: 4400/ % Al Linia: czerwona prędkość obrotowa wyrażona w procentach (00 % = 5000 obr/min), żółta ciśnienie wyrażone w procentach (00 = 8 bar) Fig 8 Welding conditions as a function of time for 4400/ % Al joints Rys 9 Widok złącza i jego przekrój otrzymane techniką zgrzewania tarciowego w warunkach z Tab 3, dla próbki nr 4 Fig 9 Shape and cross-sectional view of friction zone welded under conditions specified in Tab 3 for specimen 4 4 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04

15 R Siedlec, C Strąk Rys 0 Przebieg warunków zgrzewania w funkcji czasu dla złącza: 4400/ % Al Linia: czerwona prędkość obrotowa wyrażona w procentach (00 % = 5000 obr/min), żółta ciśnienie wyrażone w procentach (00 = 8 bar) Fig 0 Welding conditions as a function of time for 4400/ % Al joints Rys Złącze 4400/ % Al otrzymane dla parametrów zgrzewania zestawionych w Tab 3, próbka nr 5 Fig Shape and cross-sectional view of friction zone welded under conditions specified in Tab 3 for specimen 5 3 Wyniki badań Na uzyskanych złączach stopu aluminium 4400 z materiałami kompozytowymi Al/Al przeprowadzono badania twardości, mikrostrukturalne oraz wytrzymałości na rozciąganie Badanie twardości przeprowadzono metodą Vickersa (HV 0,3 ) na urządzeniu firmy Struers model Durascan 0 Badanie rozkładu twardości wykonano zgodnie ze schematem z Rys wzdłuż trzech linii pomiarowych: I, II oraz III Otrzymane wyniki pomiarów przedstawiono w Tab 4 i 5 Rys Schemat pomiarów twardości w złączach stop kompozyt Fig Schematic microhardness measurement diagram for Al alloy-composite joints Tab 4 Wyniki pomiarów twardości w złączu stop/ % Al Tab 4 Results of microhardness measurements for 4400 alloy + 30 % Al joints Materiał Kompozyt Stop 4400 Twardość HV [0,3] I II III Odległość od złącza [mm] , , , , , ,5 60,7 59,3 6,5 0,5 57,7 53,5 56,9 0,5 48, 4,9 47,6 0,75 4, ,3 43,3 4,8 45,3,5 40,3 4,8 43,8,5 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04 5

16 Zgrzewanie tarciowe kompozytów Al/Al ze stopami Al 4400 Tab 5 Wyniki pomiarów twardości w złączu stop Al/ % Al Tab 5 Results of microhardness measurements for 4400 Al alloy + 30 % Al joints Materiał Kompozyt Stop 4400 Twardość HV [0,3] I II III Odległość od złącza [mm] 03,5 0,4 98,5 -,5 0 98, 94, -, ,5 0-96,9 0 95,8-0,75 0 3,6-0,5 90,5 95,5-0,5 65,7 70,3 66, 0,5 58, 6,5 48,9 0,5 50,3 5,3 45,7 0,75 46,3 43,5 47,6 44, ,5 39,6 38,9 43,8,5 43,3 4,9 43,8,75 Wyniki pomiarów pokazują, że rozkład twardości pokrywa się dla wszystkich trzech linii pomiarowych W odległości 0,5 mm od złącza obserwuje się spadek twardości kompozytu z wartości 40 HV (twardość materiału rodzimego) do wartości ~ 0 HV W przypadku stopu 4400 jest nieco inaczej W obszarze przylegającym do samego złącza (do 0,5 mm), następuje wzrost twardości stopu aluminium do wartości 60 HV W obszarze od 0,7 mm stop 4400 posiada już twardość na poziomie materiału rodzimego ~ 50 HV Dla złącza stopu aluminium z kompozytem umacnianym cząstkami Al o 0 % udziale następuje zmniejszenie twardości materiału kompozytowego w obszarze przylegającym do samego złącza (0,5 mm) Dla stopu 4400 widoczne jest zwiększenie twardości w obrębie samego złącza (~ 60 HV) przy czym od odległości 0,75 mm od złącza, stop posiada już twardość materiału rodzimego Rozkład wartości twardości jest niemal identyczny dla wszystkich z trzech linii pomiarowych Wybrane wyniki badań strukturalnych otrzymanych złączy stopu z kompozytami przedstawiono poniżej Zdjęcia mikrostruktur wykonano przy użyciu mikroskopu optycznego Axiovert 40 MAT Na Rys 5 przedstawiono przekrój poprzeczny złącza stopu 4400 z kompozytem % Al przy powiększeniu x 50, uzyskanego przy warunkach z Tab 3 W górnej części zdjęcia widoczna jest struktura kompozytu, natomiast w dolnej części można zaobserwować strukturę stopu 4400 Zdjęcia strukturalne potwierdzają dobrą jakość złącza stop-kompozyt Obserwuje się ciągłość połączenia Rys 3 Rozkład twardości złącza: % Al /stop Fig 3 Microhardness pattern for 4400 Al alloy + 30 % Al friction welded joints Rys 4 Rozkład twardości złącza: % Al /stop Fig 4 Microhardness pattern for 4400 Al alloy + 0 % Al friction welded joints Graficzne rozkłady twardości dla złącza stop/ % Al oraz złącza stop/ % Al przedstawiono na Rys 3 i 4 Rys 5 Obrazy mikrostruktury złącza: stop % Al Fig 5 Microstructure of 4400 Al alloy + 30 % Al friction welded joints 6 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04

17 R Siedlec, C Strąk a) a) b) b) Rys 6 Obrazy struktury złącza: stop/ % Al Fig 6 Microstructure of 4400 Al alloy + 0 % Al friction welded joints wzdłuż całego złącza Nie są widoczne żadne nieciągłości Struktura materiału kompozytowego nie uległa zmianie Nie zaobserwowano żadnych pęknięć czy też deformacji w materiale kompozytowym wzmacnianym cząstkami tlenku glinu Mała plastyczność kompozytu wynikająca z wysokiej zawartości cząstek Al (30 %) sprawia, że kompozyt nie ulega odkształceniu Można zaobserwować natomiast silne uplastycznienie i wymieszanie stopu Al w obszarze złącza, który w wyniku działania siły docisku, został przemieszczony do wypływki W obszarze samego złącza obserwuje się zmianę struktury stopu 4400 Następuje rozdrobnienie struktury, obszar ten wykazuje większą twardość W dalszych obszarach od złącza widoczne są igłowe wydzielenia kryształów Si Na Rys 6a przedstawiono strukturę przekroju poprzecznego złącza Al 4400/ % Al przy powiększeniu x00 (warunki procesu zgrzewania z Tab 3 (próbka nr 5) Nie obserwuje się żadnych nieciągłości wzdłuż całego złącza Struktura połączenia jest jednorodna, bez widocznych pęknięć czy porów Na Rys 6b przy powiększeniu x 50 można zaobserwować kierunek płynięcia materiału: stop Al przemieszcza się z osi próbki (środka) do zewnątrz, formując wypływkę Struktura kompozytu pozostaje nienaruszona Nie obserwuje się jego pęknięć ani deformacji Można natomiast zaobserwować rozdrobnienie struktury stopu 4400 Wykonano również rozkład powierzchniowy pierwiastków na przekroju złączy stop-kompozyt Rozkłady powierzchniowe pokazują jednorodne rozmieszczenie poszczególnych faz w obrębie złącza Dla stopu Al 4400 obserwuje się charakterystyczne wydzie- Rys 7 a) Mikrostruktura, b) rozkład powierzchniowy pierwiastków, na przekroju złącza stop/ % Al Fig 7 a) Microstructure, b) surface distribution of 4400 Al alloy + 30 % Al joints a) b) Rys 8 a) Mikrostruktura, b) rozkład powierzchniowy pierwiastków, na przekroju złącza stop/ % Al Fig 8 a) Microstructure, b) surface distribution of 4400 Al alloy + 0 % Al joints lenia krzemowe, widoczne jako jasno-zielone pola Rozkłady przedstawione na Rys 7 oraz 8 wykazują taki sam charakter złączy Widoczna jest wyraźna granica połączenia stop-kompozyt Badania wytrzymałościowe przeprowadzone zostały MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04 7

18 Zgrzewanie tarciowe kompozytów Al/Al ze stopami Al 4400 a) b) Rys 9 Schemat badania wytrzymałości na rozciąganie Fig 9 Schematic diagram of tensile strength tests for 4400 aluminum alloy and Al/Al composite joints Rys Krzywa rozciągania dla złączy: a) stop/ % Al, b) stop/ % Al Fig Stress-strain diagram for: a) 4400 Al alloy + 30 % Al, b) 4400 Al alloy + 0 % Al Rys 0 Krzywa statycznej próby rozciągania dla złącza stop- -stop Fig 0 Stress-strain diagram for Al alloy-al alloy joint w celu określenia wytrzymałości otrzymanych złączy na rozciąganie Otrzymane złącza były zrywane osiowo według schematu na Rys 9 Próbką referencyjną było złącze stop 4400/stop 4400, dla którego zerwanie następowało przy sile F = 4,73 kn (Rys 0), co odpowiada naprężeniu R m = 94 MPa Dla złączy z materiałami kompozytowymi wzmacnianymi cząstkami Al w udziale 30 % oraz 0 % uzyskano siłę zrywającą odpowiednio: 5 kn i 4,6 kn (Rys a,b) Otrzymane wyniki wytrzymałości na rozciąganie złączy stopu 4400 z kompozytami wzmacnianymi cząstkami tlenku glinu odpowiadają wytrzymałości połączenia stop-stop Na wszystkich krzywych uzyskanych podczas statycznej próby rozciągania obserwuje się na samym początku wykresu bardzo krótki odcinek prostoliniowy (powiększone obszary) Jest to ten fragment wykresu na którym badane próbki odkształcają się sprężyście Najmniejsze odkształcenie sprężyste zarejestrowano dla złącza stop % Al (Rys a) Za prostoliniowym fragmentem krzywych rozciągania, występuje etap, który odpowiada odkształceniom plastycznym badanych próbek Następnie rejestruje się dalsze trwałe plastyczne odkształcenia, aż do momentu zerwania badanych materiałów przy sile zawartej w Tab 6 Dodatkowo dla złącza stop-stop zarejestrowano największe przemieszczenie wynoszące ponad 5 mm Tab 6 Zestawienie wyników badania wytrzymałości na rozciąganie Tab 6 Summary of results of tensile strength tests Opis złącza Wynika to z wysokiej plastyczności stopu W przypadku złączy z materiałami kompozytowymi, przemieszczenie jest znacznie mniejsze, poniżej 0 mm Wynika to z wyższego modułu Younga zastosowanych materiałów kompozytowych wzmacnianych cząstkami Al 4 Podsumowanie Siła [kn] Naprężenie [MPa] stop-stop 4,73 94, stop/ % Al 5,0 99,7 stop/ % Al 4,63 9, W artykule przedstawiono możliwość wykorzystania techniki zgrzewania tarciowego do łączenia dwóch materiałów różnoimiennych: stop Al kompozyt Al/Al Zawarto w nim parametry procesu zgrzewania tarciowego dla złączy stopu aluminium z materiałami kompozytowymi wzmacnianymi cząstkami Al o różnym procentowym udziale objętościowym Przeprowadzone badania strukturalne uzyskanych połączeń potwierdzają zwartą budowę złączy zarówno dla kompozytów o 30 %, jak i 0 % udziale objętościowym Złącza charakteryzują się stabilną strukturą wzdłuż całego przekroju, a strefa połączenia wolna jest od wad w postaci nieciągłości Dodatkowo wyniki badań wytrzymałościowych na rozcią- 8 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04

19 R Siedlec, C Strąk ganie pokazują wysoką wytrzymałość uzyskanych złączy stop-kompozyt, na poziomie złącza odniesienia stop-stop Zastosowana metoda daje bardzo dobre rezultaty w przypadku spajania kompozytów z grupy Al/Al ze stopem Al Technika zgrzewania tarciowego znajduje najczęściej zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym Przewagą tej metody spajania jest fakt, iż proces łączenia przebiega bardzo szybko Dodatkowo w obszar połączenia nie wprowadza się dodatkowych materiałów Krótki czas zgrzewania oraz brak konieczności przygotowywania łączonych powierzchni przed procesem czyni tę metodę prostą i ekonomiczną Należy również zwrócić uwagę na trudności jakie pojawiają się podczas spajania aluminium takie jak: wysokie przewodnictwo cieplne, stosunkowo niska temperatura topnienia oraz wysokie powinowactwo do tlenu Metalicznie czyste powierzchnie aluminium błyskawicznie pokrywają się warstwą tlenków, która ma znacznie większą temperaturę topnienia niż czyste aluminium Ze względu na wysokie powinowactwo chemiczne tlenu z aluminium oraz możliwość występowania porów, podczas spawania tego metalu wykorzystuje się gazy osłonowe Zgrzewanie tarciowe zyskuje w tym miejscu znacząca przewagę ze względu na fakt, że wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia min tlenkowe usuwane są z obszaru złącza i przemieszczane do wypływki na skutek silnego uplastycznienia materiału i działania siły docisku W celu zmniejszenia różnic właściwości pomiędzy kruchym materiałem kompozytowym, a plastycznym stopem aluminium, podczas łączenia stosuje się często dodatkowe zabiegi w postaci nanoszenia powłok na łączone materiały, czy też wykorzystywanie materiałów o pośrednich właściwościach jako przekładkę (międzywarstwę), przez którą następuje spajanie Dzięki zastosowaniu metody zgrzewania tarciowego uzyskano trwałe połączenie stop-kompozyt, bez konieczności modyfikacji czy też specjalnego przygotowania powierzchni materiałów przed procesem Literatura [] Ambroziak A, Zgrzewanie tarciowe materiałów o różnych właściwościach, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 0 [] Uday M B, Ahmad-Fauzi M N: Microstructural development in friction welded aluminum alloy with different alumina specimen geometries, Friction and Wear Research, 03,, [3] Uday M B, Ahmad Fauzi M N, Zuhailawati H, Ismail A B: Effect of welding speed on mechanical strength of friction welded joint of YSZ alumina composite and 606 aluminum alloy, Materials Science and Engineering A, 0, 58 [4] Park I D, Lee Ch T, Kim H S, Choi W J, Kan M C: Structural considerations in friction welding of hybrid Al -reinforced aluminum composites, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 0,, Supplement [5] Ahmad Fauzi M N, Uday M B, Zuhailawati H, Ismail A B: Microstructure and mechanical properties of alumina-606 aluminum alloy joined by friction welding, School of Materials and Minerals Resource Engineering, Engineering Campus, University Sains Malaysia, Materials & Design, 00, 3, [6] Hascalik A, Orhan N: Effect of particle size on the friction welding of Al reinforced 660 Al alloy composite and SAE 00 steel, University of Firat, Technical Education Faculty, Department of Manufacturing, Elaziğ, Turkey, Materials & Design, 007, 8, [7] Zhou Y, Zhang J, North T H, Wang Z: The mechanical properties of friction welded aluminium-based metal matrix composite materials, Journal of Materials Science, 997, 3 Podziękowania Badania zostały wykonane w ramach pracy statutowej Opracowanie warunków technologicznych zgrzewania tarciowego kompozytów Al/Al ze stopami Al MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04 9

20 Grafen otrzymywany metodą elektrolityczną na podłożach z węglika Grafen otrzymywany metodą elektrolityczną na podłożach z węglika krzemu Beata Stańczyk, Lech Dobrzański, Andrzej Jagoda, Małgorzata Możdżonek, Sathish Natarajan Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul Wólczyńska 33, 0-99 Warszawa; BeataStanczyk@itmeedupl Streszczenie: W artykule przedstawiono nową technikę osadzania warstw grafenu na podłożach z węglika krzemu metodą elektrolityczną Polega ona na zastosowaniu jako materiału elektrod grafitu i SiC oraz elektrolitu organicznego poli styrenosulfonianu sodu (PSS) Widma Ramana osadzanych warstw wskazują na to, że otrzymano grafen Istnienie wiązań typu C=C potwierdza spektroskopia FTIR Prowadzono także proces z roztworów na bazie tlenku grafenu Ponadto w procesie z rozcieńczonym elektrolitem uzyskano rzadką odmianę alotropową węglika krzemu - moissanit, który syntetycznie jest produkowany przede wszystkim na potrzeby przemysłu elektronicznego Słowa kluczowe: grafen, metoda elektrolityczna Graphene obtained by electrolytic method on silicon carbide substrates Abstract: We present a new electrochemical deposition method of graphene layers on silicon carbide substrates The technological arrangement was comprised of graphite, SiC electrodes and organic electrolyte, ie poly(sodium-4-styrenesulphonate), and in the case of an alternative technique suspension with graphene oxide was applied Graphene layers consisting of flakes were obtained on SiC electrodes, which was concluded based on a Raman Spectroscopy analysis Moreover, during the process with diluted electrolyte solution we achieved a rare allotropic form of silicon carbide called moissanit, which is commonly used in electronic applications Key words: graphene, electrochemical method Wstęp Grafen to alotropowa odmiana węgla występująca w postaci pojedynczej, dwuwymiarowej warstwy atomowej Orbitale atomu węgla występują w hybrydyzacji sp i tworzą sześcioatomowe pierścienie ułożone w siatkę plastra miodu Grafen charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami Cechuje go dwustukrotnie większa wytrzymałość mechaniczna niż stal o tej samej grubości Jest bardzo twardy, a przy tym elastyczny Posiada wysokie przewodnictwo cieplne (~ 5000 W/mK) i elektryczne, dużą ruchliwość (50000 cm /Vs w 300 K) oraz transparentność na poziomie 98 % Wszystko to czyni ten materiał przydatnym do wielu zastosowań w różnych gałęziach przemysłu elektronicznego, optoelektronicznego, energetycznego czy w medycynie [ - ] Może też zostać wykorzystany do produkcji urządzeń wysokiej częstotliwości, sensorów i biosensorów, kompozytów o określonych parametrach, w bateriach słonecznych oraz jako atrament przewodzący Badania nad uzyskaniem grafenu prowadzone są już od 40 lat Do niedawna jednak nie dawały one zadawalających efektów Dopiero po roku 004 grupie naukowców z Andre Geimem i Konstantinem Novoselovem na czele udało się wyizolować grafen, za co w 00 r liderzy otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki Od tej pory datuje się znaczący wzrost liczby publikacji i finansowania badań w tej dziedzinie Obecnie rozwija się techniki otrzymywania grafenu wieloma metodami Eksfoliacja mechaniczna - odrywanie za pomocą taśmy klejącej pozwala na uzyskanie warstw grafenowych bardzo dobrej jakości jeżeli chodzi o parametry elektryczne Nie można jednak tą metodą otrzymać próbek przydatnych do zastosowań praktycznych i opłacalnych finansowo [3-4] Grafen epitaksjalny wytwarza się techniką CVD (chemical vapor deposition) - osadzania z fazy gazowej na metalach Cu lub Ni i bezpośrednio na podłożach z węglika krzemu Pierwsza z tych metod znacząco obniżyła koszty produkcji i pozwoliła uzyskać materiał o odpowiednio dużej powierzchni, ale o jakości nie wystarczającej do zastosowania w elektronice Na foliach miedzianych lub niklowych grafen ma tendencję do tworzenia ziaren, które się zrastają ze sobą co skutkuje powstaniem niejednorodnej warstwy Inną metodą CVD bezpośrednio na podłożu SiC uzyskuje się warstwę grafenu, który spełnia wymagania urządzeń elektronicznych Polega ona na dekompozycji prostego węglowodoru w temperaturze ~ 600 ºC, pod ciśnieniem mbar, w atmosferze argonu i dzięki temu ograniczeniu sublimacji krzemu z podłoża SiC [, 5] Kolejnym sposobem uzyskiwania grafenu jest synteza chemiczna Proces ten obejmuje utlenianie grafitu do tlenku grafitu np metodą Hummersa, następnie jego eksfoliację do tlenku grafenu za pomocą sonikacji i w ostatecznym etapie jego redukcję termiczną lub chemiczną wykorzystując np hydrazynę Technologią tą uzyskuje się płatki grafenowe, które nakładane na podłoża mogą mieć różne aplikacje, również elektroniczne 0 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T 4, Nr 3/04