XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование и подбор состава смеси для создания припоя корундовой подложки к основанию
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Человечество давно мечтает исследовать космические пространства. Ещё в древности люди видели на небе различные знаки и приметы, наблюдали за звёздами и давали названия созвездиям. В начале 20 века Константин Эдуардович Циолковский своими работами проложил дорогу к исследованиям космических далей. Советские учёные продолжили его работу, и первые ракеты уже в середине века отправились покорять неизведанные пространства. В настоящее время ведутся серьёзные работы по усовершенствованию ракет и созданию лучших образцов для работы в сложных условиях космоса.
Создание космического устройства требует огромной работы не только инженеров, но и химиков.
Рассмотрим только одно из направлений работы химика-исследователя.
При создании ракет широко используется металл алюминий. Он нужен не только для изготовления корпуса ракеты, но и для мелких внутренних деталей, обеспечивающих бесперебойную работу сложных систем управления ракетой.
Так из оксида алюминия (корунда) готовят схемы электронного управления всеми системами жизнеобеспечения и двигателей устройства. Они называются печатными платами. Эти платы должны быть достаточно прочно укреплены на основании. Как закрепить корундовую подложку на основании?
Должен быть разработан достаточно прочный при любых условиях припой.
На данный момент такой припой только разрабатывается.
В качестве припоя можно было бы использовать стекло, так как у стекла достаточно низкая температура размягчения.
Но стекло не выдерживает испытаний, так как при остывании припой и подложка отходят друг от друга из-за различных значений их ТКЛР.
Возможно, удастся решить эту проблему, используя определенный вид стекла и добавки к нему.
Гипотеза: выровнять ТКЛР корунда и стекла возможно, применяя вещество с отрицательным ТКЛР
Цель работы: исследование состава смеси на основе стекла и кристаллического наполнителя с необходимым ТКЛР для использования полученной смеси в качестве припоя
Задачи проекта:
Изучить свойства, стекла и добавок, изменяющих физические параметры припоя.
Экспериментальным путём изучить состав смеси: стекло – титанат свинца
Подобрать состав смеси на основе стекла и кристаллического наполнителя с необходимым ТКЛР для использования смеси в качестве припоя алюминиевых схем к основанию
Обзор литературы
Прежде чем выдвинуть гипотезу, было решено изучить основные характеристики оксида алюминия и стекла, которое можно использовать в качестве припоя.
1.Алюминий- это элемент главной подгруппы III группы (IIIA группы) 3-го периода Периодической системы Д. И. Менделеева. Алюминий в свободном виде — серебристобелый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Алюминий имеет небольшую плотность — примерно втрое меньше, чем у железа или меди, это прочный металл. Поверхность металлического алюминия обычно покрыта прочной пленкой оксида Al2O3, которая предохраняет металл от взаимодействия с окружающей средой. Если пленку оксида удалить, металл может энергично реагировать с водой. (1) Оксид алюминия – Al2O3. Физические свойства: (корунд, глинозем) белый, тугоплавкий, термически устойчивый. Химические свойства: оксид алюминия проявляет амфотерные свойства – свойства кислотных оксидов и основных оксидов и реагирует и с кислотами, и с основаниями. Кристаллический Аl2О3 химически пассивен, аморфный – более активен. Взаимодействие с растворами кислот дает средние соли алюминия, а с растворами оснований – комплексные соли – гидроксоалюминаты металлов(9)Механические свойства оксида алюминия как легкость, стойкость к сверхнизким и очень высоким температурам, невосприимчивость к радиационному излучению и вибрациям делают его незаменимыми в строительстве самолётов, вертолетов, судов. Благодаря этим свойствам корунд широко используют ещё и в ракетостроении. Сплавы на основе алюминия – одни из наиболее востребованных материалов в ракетно-космической технике (РКТ) в силу сочетания высоких физико-механических свойств и удельных характеристик прочности, жесткости и др. Они использовались для изготовления корпусов космических челноков «Спейс шаттл» (челноки примерно на 90% состоят из алюминиевых сплавов) и «Хаббл». (2) Из оксида алюминия также делают печатные платы для ракет.
2. Печатная плата – печатная плата или плата, представляет собой пластину или панель состоящее из одного или двух проводящих рисунков, расположенных на поверхности диэлектрического основания, или из системы проводящих рисунков, расположенных в объеме и на поверхности диэлектрического основания, соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой, предназначенное для электрического соединения и механического крепления устанавливаемых на нем изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий - пассивных и активных электронных компонентов. Основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, корундом), алюминий или неметаллическое основание (например, различные ситаллы или корунд). (4) В ракетостроении широко применяют печатные платы из корунда.
2.1. Печатные платы должны быть закреплены на основании. На данный момент спаивание происходит за счёт металлов, а это неудобно. Для того, чтобы присоединить корундовую подложку к основанию нужен материал, который имеет температуру плавления не выше 440°С (при этой температуре электронные схемы начинают выходить из строя). Обычные припоечные металлы не подходят т.к. они не прилипают к корунду. Для пайки можно использовать стекло.
3.Стекломназываются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым. Из определения следует, что в стеклообразном состоянии могут находиться вещества, принадлежащие к разным классам химических соединений. Вещества в твердом состоянии при нормальных температуре и давлении могут иметь кристаллическое и аморфное строение. В природе наиболее распространены кристаллические твердые вещества, для структуры которых характерен геометрически строгий порядок расположения частиц в трехмерном пространстве. Кристаллическое состояние характеризуется низкой внутренней энергией. В большинстве твердые кристаллические вещества проявляют анизотропию, т.е. их физические свойства (показатель преломления, теплопроводность) неодинаковы при изменении в разных направлениях. Стеклообразные вещества имеют аморфное состояние. Стеклообразное состояние характеризуется избытком внутренней энергии. Пространственное расположение частиц стеклообразного вещества является неупорядоченным. Многовековая история стеклоделия связана с изготовлением силикатных стекол, основывающихся на системе Na2O-CaO-SiO2. По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, галогенидные, халькогенидные, оксидные, металлические, фторбериллатные и др. (5)
Стекло получают сплавлением сырья, в простейшем случае кварцевого песка, известняка CaCO3 и соды в специальных стекловаренных печах, при этом идут процессы:
CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2
Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2
CaCO3=CaO+CO2
Na2CO3=Na2O+CO2
CaO+SiO2=CaSiO3
Na2O+SiO2=Na2SiO3
Важные для проекта физические свойства стекол.
Температуры начала размягчения того или иного сорта и вида стекла определяется химическим составом компонентов. Так, тугоплавкие оксиды кремния или алюминия повышают температурный уровень начала размягчения, а легкоплавкие (оксиды натрия и калия), напротив, понижают.
Тепловое расширение. Материалы для отделок следует подбирать так, чтобы величина их теплового расширения соответствовала тому же показателю стекломассы основного изделия.
ТКЛР – тепловой коэффициент линейного расширения – это способность тела расширяться при нагревании. Коэффициент теплового расширения стекол прямо зависит от химического состава исходной массы. Чем больше в стекломассе щелочных оксидов, тем выше показатель температурного расширения, и, наоборот, присутствие в стекле оксидов кремния, алюминия и бора снижает эту величину. (7)
Химические свойства стекол.
Среди химических свойств необходимо особо выделить химическую стойкость стекла и изделий из него. Показатели химической стойкости зависят от качества стекломассы и воздействующего агента. Так, стекло, не подвергающееся коррозии при действии воды, может деформироваться при воздействии щелочных и солевых растворов. Для использования в качестве припоя необходимо чтобы ТКЛР стекла совпадало с ТКЛР спаиваемых веществ. Не все виды стёкол отвечают данному требованию. (5)
Стекла, содержащиекатионы Zn2+, Pb2+, Bi3+, As3+, Sb3+, Tl1+ отличаются, как правило, пониженной температурой размягчения в связи со своей высокой поляризуемостью (способностью изменять свою полярность под действием электрического поля) В целом, стекла с высоким значением ТКЛР(тепловой коэффициент линейного расширения) имеют относительно низкую температуру размягчения и рабочие температуры, в то время как стекла с низким значением ТКЛР имеют более высокие температуры размягчения. Такие стекла часто используют в роли припоя из-за своих низких температур плавления. Основная задача припоечных стекол – обеспечение надежного вакуумплотного спая при определенной температуре, значениях ТКЛР, растекаемости и других технологических параметров – реализуется для каждого конкретного материала и конструкции. Для изготовления припоя можно использовать свинецсодержащие боратные и боросиликатные стекла. Состав используемого для припоя свинцовоборатного стекла: B2O3 – 14%, PbO – 83%. Долгое время оксиды свинца, бора и кремния являлись основой большинства промышленно производимых стекол. В системе SiO2–PbO–B2O3 с увеличением содержания оксида бора и оксида свинца, за счет уменьшения SiO2, наблюдается рост ТКЛР (6)
3.2 Для присоединения корундовых схем к основанию было решено использовать свинцовоборатное стекло, т.к. температура размягчения свинцовоборатного стекла (300°С) меньше температуры, при которой электронные схемы начинают выходить из строя (440°С)
3.3 Для того, чтобы сплав подложки и основания был прочным, необходимо, чтобы у корундовой подложки и у припоя, который мы разрабатываем, был одинаковый ТКЛР.
Свинцовоборатное стекло имеет высокое ТКЛР - 116×10-7 К-1
Корунд имеет низкое значение ТКЛР - 66×10-7 К-1
Для того чтобы при остывании материалы не отходили друг от друга ТКЛР должен быть близким по значению.
Проблему можно решить добавлением к свинцовоборатному стеклу веществ, которые могут понизить ТКЛР стекла.
4.Эксперимент решено было проводить с титанатом свинца PbTiO3. Химическое неорганическое соединение с химической формулой PbTiO3, свинцовая соль метатитановой кислоты, или смешанный оксид титана-свинца PbO·TiO2. Жёлтый порошок, или желтые кристаллы очень плохо растворим в воде (10) При нагревании это вещество сжимается, а при охлаждении расширяется. Данная особенность позволяет предположить, что добавка его в свинцовоборатное стекло приведёт к уменьшению ТКЛР.
Эксперимент имеет целью исследовать на практике и подобрать состав смеси «стекло - титанат свинца», которая в дальнейшем будет использована для создания припоя алюминиевой подложки к основанию.
Экспериментальная часть
Был проведён ряд экспериментов для исследования состава смеси на основе стекла и кристаллического наполнителя, а также подбора состава для изготовления припоя.
Схема эксперимента:
1.Приготовление смесей для припоев путем введения добавок.
2.Обработка смесей в печи.
3.Шлифовка образцов.
4.Исследование свойств полученных образцов на приборе. 5. Анализ полученных данных и выбор состава припоя.
1.Первый этап исследования:
Приготовление смесей для припоев путем введения добавок.
Для изготовления припоев использовали свинцовоборатное стекло, содержащее 14% оксида бора и 87% оксида свинца. Остальные 3% небольшие добавки оксидов кремния алюминия и цинка. Стекло в ходе нашей работы не было сварено, а было взято готовое, заранее сваренное на кафедре.
Содержание кристаллического наполнителя титаната свинца (PbTiO3) более 50% недопустимо, т.к. в предыдущих работах было установлено, что припоечная смесь в этом случае плохо прилипает к различным материалам в том числе и к корунду.
В области составов с содержанием наполнителя от 0 до 50% мы произвольно выбрали несколько составов боросиликатного стекла (PbO – B2O3 – SiO2.) к титанату свинца(PbTiO3).
Были произведены расчёты: сколько грамм каждого продукта потребуется, если общее количество вещества должно быть 7г:
100%-7г стекла и 0%- 0 г титаната свинца
80%- 5,6г стекла и 20%-1,4 г титаната свинца
60%- 4,2г стекла и 40%-2,8 г титаната свинца
50%-3,5г стекла и 50%-3,5 г титаната свинца
С помощью электронных весов было отмерено нужное количество веществ.
Смешивание припоев до однородной массы были произведены на лабораторной установке RW-14 в течение 5 минут (приложение 1)
2.Второй этап исследования:
Полученные смеси были засыпаны и утрамбованы в специальные формы. После этого форма отправляется в печь. (приложение 2)
Режим термообработки образцов был следующим: нагрев от комнатной температуры до 440°С происходил за 1,5 часа, 30 минут выдержка при 440°С, после этого медленное охлаждение в печи до комнатной температуры. Описание методики 12. В процессе термообработки порошки припоя четырех составов с разным содержанием наполнителя спекались в печи (приложение 3)
3.Третий этап исследования:
Огнеупорная пластина, в прямоугольных прорезях, которой спекали припои, руками была извлечена из охлажденной печи, после этого спеченные образцы были вынуты ножом из огнеупорной пластины. Спеченные образцы припоя в виде штабиков были шлифованы на настольном лабораторном шлифовально-полировальном станке. В ходе этого процесса штабики были прижаты к плоскому вращающемуся диску, в структуре которого содержатся алмазные частицы. В результате шлифования были получены образцы в виде прямоугольных параллелепипедов размерами примерно 5х5х25 мм. (приложение 4)
4.Четвертый этап исследования
Измерение дилатометрических характеристик (температуры размягчения, температуры начала деформации и ТКЛР) проводили на немецком дилатометре NETZSCH DIL 402 PC. (приложение 5)
По дилатометрическим кривым (зависимостям относительного удлинения образца от температуры) для всех четырех образцов были определены:
- температуры размягчения - перегиб на дилатометрической кривой (300-310 С);
- температуры начала деформации - максимум на дилатометрической кривой (330-340 С);
- ТКЛР - тангенс угла наклона прямого участка дилатометрической кривой к горизонтали. Описание методики 11
(Графики в приложении 6)
3.Пятый этап исследования
Для определения точного количества наполнителя был построен график зависимости ТКЛР от концентрации наполнителя. По этому графику, исходя из того, что ТКЛР корундовой подложки должна быть приближена к 66*10-7 K-1, определяли, какая концентрация наполнителя будет отвечать данному требованию.
По данной формуле искали значение ТКЛР
Был составлен график для определения точного процентного соотношения титаната свинца PbTiO3 к стеклу. Ось х это полученные ТКЛР образцов, а ось у – процент титаната свинца в образце. Для установления точного соотношения сначала отметили на графике точку: по оси y значения ТКЛР второго образца равные 117*10-7 К-1, а по оси x процент титаната свинца в образце 20%. Затем по известным значениям ТКЛР и процента титаната свинца образца 3 ставим еще одну точку на графике. Аналогично с третьей точкой по образцу 4. Затем нашли нужное значение ТКЛР – 66*10-7 единиц и получаем, что искомый процент титаната свинца в сплаве равен 39% (График в приложении 7)
Исследование пришло к выводу, что максимально удовлетворяет требованиям по ТКЛР припой образца №3 с составом: 61% стекла – 39% титаната свинца
Исследования необходимо продолжить для установления более точного состава в пределах 55% - 70% стекла
Вывод:
1.Для присоединения корундовых схем к основанию возможно использование свинцовоборатного стекла, т.к. температура размягчения свинцовоборатного стекла (300°С) меньше температуры, при которой электронные схемы начинают выходить из строя (440°С). В чистом виде использовать стекло невозможно, так как у него высокий коэффициент линейного расширения и припой не будет удерживать вещества. Для уменьшения ТКЛР было предложено добавлять вещество с отрицательным коэффициентом. Возможно получение смеси из стекла и титаната свинца.
2.Опытным путём были получены смеси с разным соотношением стекла и титаната свинца, изготовлены образцы и исследованы на дилатометрической установке.
3.С помощью графиков рассчитан оптимальный состав смеси для изготовления припоя.
Заключение:
Гипотеза подтвердилась: титанат свинца с отрицательным ТКЛР в смеси со стеклом понизил ТКЛР смеси для изготовления припоя.
Исследование пришло к выводу, что максимально удовлетворяет требованиям по ТКЛР припой образца №3 с составом: 61% стекла – 39% титаната свинца
Исследования необходимо продолжить для установления более точного состава в пределах 55% - 70% стекла и подтверждения результатов эксперимента, а также необходимо установить оптимальную толщину припоя.
Результат исследования будет полезен при создании припоя в производственных масштабах.
Литература.
1. Начала химии [Электронный ресурс] : для поступающих в вузы / Н. Е. Кузьменко, В. В. Еремин, В. А. Попков
2. https://naukatehnika.com/primenenie-alyuminiya-v-kosmose.html
3. http://a-kranm.com/splavjy-alyuminiya-i-titana-v-raketostroenii.html
4. https://pselectro.ru/articles/pecatnye-platy-osnovnye-ponatia-i-terminologia-pecatnyh-plat-57594
5."Химическая технология стекла и ситаллов" под редакцией д-ра техн. наук проф. Н.В. Павлушкина
6. https://diss.muctr.ru/media/dissertations/2019/03/Чакветадзе_Д.К._approved_dissertation.pdf
7. https://www.remontiruemlegko.ru/steklo-osnovnye-svojstva-i-harakteristiki.html
8. https://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/neorg/uchpos/text/g4_4_5.html
9. https://studfile.net/preview/5560960/page:31/
10. https://chem.ru/titanat-svinca.html
11. https://bookree.org/reader?file=562140&pg=93
12. Павлушкин Н.М и Журавлев А.К. легкоплавкие стекла, изд-во «Энергия» 1970
Приложения
Приложение №1 Смешивание компонентов смеси в разных пропорциях
Приложение №2 Заполнение форм и выпекание образцов
Приложение 3. Выпекание образцов в печи
Приложение 4. Обработка запечённых образцов шлифованием
Приложение 5. Измерение дилатометрических характеристик на дилатометре NETZSCH DIL 402 PC
Приложение 6. Данные дилатометрических характеристик образцов
№1 График измерения образца №4: 50%-стекла и 50%- титаната свинца
№2 График измерения образца №3: 60%- стекла и 40%-титаната свинца
№3 График измерения образца №2: 80% - стекла и 20% - титаната свинца
№4 График измерения образца №1: 100%- стекла
Приложение 7. График зависимости ТКЛР полученных образцов к процентному содержанию титаната свинца в них.