Polscy naukowcy nauczyli się lutować ceramikę

2008-02-12

Polscy naukowcy z Zakładu Modyfikacji Materiałów oraz Zakładu Fizyki i Technologii Plazmy Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku pod kierunkiem dr Marka Barlaka wykazali, że to, co dotychczas uważano za niewykonalne, w rzeczywistości jest możliwe.

Opracowana przez nich metoda, dzięki odpowiednio dobranej obróbce ceramiki, pozwala na wytworzenie powierzchni niemal idealnie zwilżalnych miedzią, co pozwala na szybką i jednoprocesową produkcję złączy i kompozytów do lutowania. Naukowcy wierzą, że ich metoda przyczyni się do zrewolucjonizowania technologii wytwarzania zaawansowanych układów m.in. dla lotnictwa i energetyki termojądrowej. LUTOWANIE - METODA DOSKONAŁA

Lutowanie jest to metoda łączenia ze sobą dwóch elementów za pomocą wprowadzania między ich powierzchnie innego roztopionego metalu lub stopu (spoiwa). Warunkiem jest to, aby temperatura jego topnienia była wyraźnie niższa od spajanych materiałów. Podczas lutowania łączone materiały muszą się bowiem nagrzać, ale nie mogą stopić. Topi się natomiast sam lut. Połączenie trwałe uzyskuje się dzięki przyczepności lutu do materiałów łączonych.
Aby prawidłowo zlutować ze sobą dwa elementy należy spełnić kilka niezbędnych warunków. Jednym z nich dobre zwilżenie powierzchni lutowanych części. Zwilżenia to zdolność pokrywania powierzchni lutowanych części cienką, równomierną i nieprzerwaną powłoką ciekłego lutu. Wartość zwilżenia zależy od siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami lutu a cząsteczkami lutowanych metali oraz od czystości powierzchni łączonych części. Od poziomu zwilżenia uzależniona jest natomiast trwałość lutowanego połączenia.
Jak zauważa dr Marek Barlak, jeszcze kilkanaście lat temu, każdy konstruktor zapytany o to, czy można "przylutować" węgiel do metalu, uznałby ten pomysł za szalony. Jednocześnie przyznałby, że gdyby istotnie ktoś to potrafił, byłoby to bardzo przydatne.

KŁOPOTLIWA CERAMIKA

Dlaczego do tej pory wydawało się to niemożliwe? Otóż ceramiki nie da się zwilżyć w sposób klasyczny; ani przy pomocy tradycyjnie stosowanych materiałów, takich jak cyna, ani przy pomocy lutów opartych na metalach kolorowych, w tym miedzi. Kropelka jakiegokolwiek metalu upuszczona na powierzchnię ceramiki, na skutek oddziaływania sił międzycząsteczkowych, przeobraża się w zwartą kuleczkę. Dr Marek Barlak porównuje to zachowania wody na plamoodpornym obrusie. I dodaje, że skoro nie da się "zwilżyć" ceramiki metalem, to nie można jej też zlutować.
Jest to bardzo niekorzystne zjawisko, gdyż potencjalny obszar zastosowań dla połączeń miedź-ceramika (ale też zachowujących się identycznie połączeń: miedź-węgliki, miedź-węgiel) jest bardzo bogaty. Można by je wykorzystywać w elektroceramice, do produkcji kompozytów, nanostruktur węglowych, silników ceramicznych, nanopancerzy, elektrod, specjalistycznych kondensatorów, filtrów, ogniw paliwowych, układów elektronicznych i układów MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) stosowanych m.in. w lotnictwie.
Dlatego też od lat, w ośrodkach naukowych na całym świecie, naukowcy starają się opracować technologię, która pozwoliłaby w końcu na skuteczne "zlutowanie" ceramiki. Opracowano dotychczas kilka metod, które choć dają zadowalające wyniki, oparte są na złożonych, czasochłonnych i wieloetapowych procesach, a przez to stają się nieopłacalne.
Po latach badań problem ten udało się rozwiązać naukowcom z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku. Zakończone sukcesem badania wykonano w ramach projektu "Wykorzystanie technik implantacji jonów i impulsów plazmowych do modyfikacji warstw wierzchnich węgla i węglika krzemu celem uzyskania ich dobrej zwilżalności miedzią", finansowanego ze środków MNiSW.

ZWILŻYĆ - STOPIĆ - ZLUTOWAĆ

Opracowana przez naukowców ze Świerka metoda polega na impulsowym "wtapianiu" jonów tytanu w strukturę węgla i jego związków, pełniących rolę podłoża. Dzięki takiemu postępowaniu uzyskuje się trwale zwilżalny obszar, do którego później można przylutować dowolne elementy konstrukcyjne. Tajemnicą sukcesu, według naukowców, jest szczególny charakter powstającej warstwy powierzchniowej tytanu, w której koncentracja metalu w podłożu maleje wraz z głębokością.
Jak przypomina dr Pawłowski, do sukcesu naukowców przyczyniło się to, że swoje prace badawcze prowadzili z zastosowaniem prętowego działa plazmowego IBIS - unikalnego na skalę światową urządzenia, skonstruowanego także w IPJ. Dzięki niemu badacze mogą modyfikować wybrany materiał nie tylko poprzez przetopienie jego powierzchni, ale również przez wprowadzenie do niej dodatkowego pierwiastka, zastosowanie różnych gazów roboczych itp.
Pawłowski podkreśla, że szczególnie korzystną cechą metody dr Barlaka jest fakt uzyskiwania dobrej zwilżalności ceramiki w jednym tylko procesie technologicznym. Dzięki temu oszczędza się czas i pieniądze, a także przyspiesza procesy produkcyjne, w których metoda ta znalazłaby potencjalne zastosowanie. A procesów tych jest naprawdę dużo.
W IPJ nowa technologia modyfikowania właściwości powierzchni ceramik węglowych ma się stać punktem wyjścia do wytwarzania kompozytów - materiałów złożonych z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach. Z kolei kompozyty te będą mogły być wykorzystywane do budowy struktury służącej odprowadzaniu ciepła, którego ogromne ilości wydzielane są w reakcjach zachodzących w mieszczącym się w Cadarache we Francji reaktorze termojądrowym ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), w którego budowę - w ramach wielkiego światowego projektu - zaangażowani są także Polacy.
Autorzy opracowania liczą na to, że metoda zostanie zastosowana także do wielu innych celów.

źródło: PAP - Nauka w Polsce, Katarzyna Czechowicz,

Źródło: [rp]