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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-49089
URL: http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2012/4908/


Festkörper- und selbstfortschreitende Reaktionen in Multilagen zur RuAl-Dünnschichtsynthese

Solid state and self-propagating reactions in multilayers to synthesize RuAl thin films

Woll, Karsten

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SWD-Schlagwörter: Intermetallische Verbindungen , Aluminide , Festkörperreaktion , Phasenumwandlung , Dünne Schicht , Mehrschichtsystem
Freie Schlagwörter (Deutsch): Selbstfortschreitende Reaktionen
Freie Schlagwörter (Englisch): intermetallic compounds , solid state reactions , self-propagating reactions , thin films , multilayer
Institut: Fachrichtung 8.4 - Werkstoffwissenschaften
Fakultät: Fakultät 8 - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät III
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Schriftenreihe: Saarbrücker Reihe Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Bandnummer: 34
Hauptberichter: Mücklich, Frank (Prof. Dr.-Ing.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 06.07.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 04.09.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Die Kombination aus guten Hochtemperatureigenschaften, hoher Raumtemperaturduktilität, stark exothermer Synthesereaktion und Existenz bei Nicht-Stöchiometrie positioniert die intermetallische Phase RuAl im Anwendungsfeld von thermischen Schutzschichten und des Reaktivfügens. Die einphasige RuAl-Dünnschichtsynthese ist bislang noch nicht erforscht. Festkörperphasenumwandlungen und selbstfortschreitende Reaktionen in äquiatomaren Ru/Al-Multischichten werden daher erstmals grundlegend charakterisiert. Möglichkeiten der Umwandlungs- und Reaktionskontrolle durch die Doppelschichtdicke (Periode) werden aufgezeigt. Die Festkörperreaktion beginnt bei 150 °C mit einer Al-dominierten Interdiffusion an den Grenzflächen. Oberhalb von 300 °C werden periodenabhängig maximal vier Umwandlungen durchlaufen. Optimal ist die RuAl-Dünnschichtsynthese für Perioden < 22 nm. Zum ersten Mal wird diese abgeleitet, sowie die Umwandlungskinetik und der Mikrostruktureinfluss quantifiziert. Die selbstfortschreitenden Reaktionen erlauben ebenfalls die einphasige Dünnschichtsynthese. Periodenunabhängig liegt eine einstufige Umwandlung an fest(Ru)/flüssig(Al)-Grenzflächen vor. Eine maximale Reaktionsgeschwindigkeit und -temperatur von 10,9 m/s beziehungsweise 1946 °C zeigen erstmalig die höhere Energiedichte gegenüber kommerziellen Ni/Al-Schichten. Das reaktive Bonden mit Ru/Al-Multischichten verspricht dadurch einen technologischen Fortschritt bei der stetigen Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnik.
Kurzfassung auf Englisch: The combination of good high temperature properties, unusual room temperature ductility, a highly exothermic synthesis reaction and non-stoichiometry positions the intermetallic phase RuAl in the application fields of thermal protection layers and reactive bonding. Since the single-phase thin-film synthesis of RuAl has yet to be explored, the solid-state phase transformations and self-propagating reactions in equiatomic Ru/Al multilayers are fundamentally characterized for the first time. The different options to control the transformations and reaction throughout the bilayer thickness (period) are shown. The solid-state transformation begins at 150 °C with an Al-dominated interdiffusion at the interfaces. Above 300 °C a maximum of four transformations are active depending on the period. The RuAl thin film synthesis is optimal for periods < 22 nm. This parameter as well as the transformation kinetics and the microstructure influence have been quantified for the first time. The self-propagating reactions also allow the single-phase thin-film synthesis where one-stage transformations at solid Ru/liquid Al interfaces occur regardless of the period. First ever maximum reaction rates and temperatures of 10.9 m/s and 1946 °C, respectively, reveal the superior energy density compared to commercial Ni/Al layers. Ru/Al multilayer reactive bonding is thus a promising technological advance in the context of an ongoing miniaturization in microsystems technology.
Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Dissertationen und Habilitationen der Fakultät 8

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