Vysokoteplotní chování metastabilních oxidových a multikomponentních neoxidových vrstev

Ing. Šárka ZUZJAKOVÁ

Disertační práce

High-temperature behaviour of metastable oxide and multicomponent non-oxide films

Anotace:

Keramické materiály ve formě tenkých vrstev mají velký potenciál pro použití v nejrůznějších vysokoteplotních aplikacích. Vyšetřování vysokoteplotního chování těchto materiálů je tedy klíčové pro jejich uplatnění. Předkládaná disertační práce se zabývá studiem vysokoteplotního chováním metastabilních oxidových a multikomponentních neoxidových keramických vrstev. V první části jsou vyšetřovány fázové transformace probíhající v magnetronově naprašovaných vrstvách Al2O3 s různě nadeponovanou strukturou. Pro tento účel byly připraveny vrstvy Al2O3 s (1) amorfní, (2) částečně krystalickou a (3) čistě krystalickou nadeponovanou strukturou g-Al2O3. Je zde ukázáno, že vysokoteplotní stabilita nadeponované struktury g-Al2O3 ve vzduchu dosahuje až teploty 1100°C (při rychlosti ohřevu 40°C/min). Vrstvy s amorfní nadeponovanou strukturou vykazují vysokoteplotní stabilitu během ohřevu při stejných podmínkách do teploty 900°C. Při této teplotě se začíná amorfní struktura transformovat do krystalické fáze. Nezávisle na podílu amorfní a krystalické fáze v nadeponované struktuře se metastabilní fáze transformuje do termodynamicky stabilní fáze při teplotě přibližně 1200°C (vždy s vytvořením metastabilní fáze ). Kinetická analýza transformace g->a ukázala, že i přesto, že v obou vrstvách probíhá stejná transformace, je tento transformační proces charakterizován různými kinetickými parametry. Druhá část práce se soustředí na vysokoteplotní stabilitu a fázové transformace ve vrstvách Al-Cu-O s nízkým obsahem Cu (0 at.% - 9,6 at.%). V této části bylo ukázáno, že zabudování Cu do vrstev Al2O3 má za následek vrstvy Al-Cu-O, které ve srovnání s čistou vrstvou Al-O vykazují zlepšené mechanické vlastnosti a zcela rozdílné vysokoteplotní chování během ohřevu. U vrstvy s obsahem Cu 1,4 at.% lze pozorovat vytvoření fáze a-Al2O3 při výrazně nižší teplotě než v čisté vrstvě Al--O (o ~150°C). S rostoucím obsahem Cu se vysokoteplotní stabilita vrstev Al-Cu-O zvyšuje. Nejvyšší vysokoteplotní stability až 1150°C dosahuje vrstva Al-Cu-O s nejvyšším vyšetřovaným obsahem Cu (9,6 at.%). Během ohřevu vrstev Al-Cu-O do 1300°C byla dále pozorována endotermická transformace, během které došlo při teplotě 1150°C k rozkladu metastabilní fáze CuAl2O4. Poslední část se zabývá vlivem Si a N na vysokoteplotní stabilitu a oxidační odolnost multikomponentních vrstev Zr-B-Si-C(-N). Přidání optimálního množství Si a N umožňuje výrazně zlepšit oxidační odolnost tenkovrstvých materiálů Zr-B-Si-C, resp. Zr-Si-B-C-N. Vrstva Zr20B39Si28C10 je elektricky vodivá (elektrická rezistivita je 9x10^-6m) a s vysokou tvrdostí (22 GPa). Tato vrstva vykazuje výbornou oxidační odolnost během ohřevu ve vzduchu až do 800°C. Vysokoteplotní stabilita elektrické rezistivity a tvrdosti dosahuje 750°C. Vrstvy Zr12B35Si28C9N15 a Zr9B22Si26C12N30 jsou v nadeponovaném stavu elektricky vodivé a vykazují podobné hodnoty tvrdosti jako vrstva Zr20B39Si28C10. Tyto vrstvy vykazují výbornou oxidační odolnost až do teploty 1000°C. Vysokoteplotní stabilita vlastností v nadeponovaném stavu (tvrdost 22 GPa a elektrická rezistivita 4x10^-5m, resp. 4x10^-3 m) dosahuje 900°C. Vrstva Zr6B21Si19C7N44 je elektricky nevodivá s tvrdostí 19 GPa a vykazuje výborné oxidační chování během ohřevu ve vzduchu až do teploty minimálně 1300°C.

Abstract:

Thin-film ceramic materials are potential candidates for a variety of high-temperature applications. The investigation of the high-temperature behaviour of these materials is essential for their application. This thesis focuses on the high-temperature behaviour of metastable oxide and multicomponent non-oxide ceramic films. In the first part of the thesis the phase transformations in magnetron sputtered Al2O3 films with different initial as-deposited structures was carried out in detail. For this purpose the films with (1) amorphous, (2) partially crystalline and (3) fully crystalline as-deposited structure were prepared. It was shown, that the thermal stability of the pure \ga-phase as-deposited structure exceeds 1100°C\ as the film is heated in air with a heating rate of 40°Cmin. On the contrary, the amorphous as-deposited structure is thermally stable to approximately 900°C\ at the same heating conditions when an amorphous to \ga\ transformation starts proceeding. Independently of the ratio of an amorphous to crystalline \ga\ phase in the as-deposited structure, the metastable \ga\ phase is transformed to the stable \alfa\ phase at approximately the same temperature of 1200°C\ via the formation of the intermediate metastable $\uptheta$ phase. Kinetic analysis of the \transga\ transformation showed that despite the same transformation process, these processes are characterized by different kinetic parameters. The second part of the thesis is focused on the high-temperature stability and phase transformations in the Al-Cu-O films with low Cu content (0 at.% - 9,6 at.%). It was shown, that compared to the pure alumina film the Al-Cu-O films exhibit enhanced mechanical properties and completely different transformation phenomena during heating. Incorporation of relatively low amount of Cu (1,4 at.%) leads to a formation of the -Al2O3 phase at a considerably lower temperature by about 150°C. With increasing Cu content beyond 1,4 at.% the thermal stability of the Al-Cu-O films increases. The thermal stability of the solid solution structure of the film with the highest Cu content investigated (9,6\atproc) reaches 1150°C. Heating of the Al-Cu-O films to 1300°C results in an endothermic transformation originating from an instability of the CuAl2O4 phase at temperatures above 1150°C. In the last part of the thesis the effect of the Si and N addition on the thermal stability and oxidation resistance of the multicomponent Zr-B-Si-C(-N) films is investigated. Appropriate amount of Si and N significantly improves the oxidation resistance of the Zr-B-Si-C and Zr-B-Si-C-N, resp. The Zr20B39Si28C10 film is electrically conductive (electrical resistivity is 9$\times$10$^{-6}$\ohmmetr) and it has high hardness (22\,GPa). This film shows excellent oxidation resistance in air up 800°C. Thermal stability of the electrical resistivity and hardness reaches 750°C. The Zr12B35Si28C9N15 and Zr9B22Si26C12N30 films are in as-deposited state electrically conductive and show similar hardness as the film Zr20B39Si28C10. These film show excellent oxidation resistance up 1000°C. Thermal stability of the el. resistivity and hardness (hardness 22 GPa and electrical resistivity 4x10^-5m and 4x10^-3 m, resp.) reaches 900°C. The Zr6B21Si19C7N44 film is electrically non-conductive with the hardness of 19 GPa and it shows excellent oxidation resistance up 1300°C.

Klíčová slova

manetronové naprašování, fázové transformace, vysokoteplotní stabilita, oxidační odolnost

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 15. 4. 2015

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta aplikovaných věd

Doktorský studijní program / obor:
Aplikované vědy a informatika / Fyzika plazmatu a tenkých vrstev