Эффект Киркендалла

Эффект Киркендалла — это движение границы раздела двух металлов, возникающее из-за разницы в скоростях диффузии атомов металлов. Эффект можно наблюдать, например, путем размещения нерастворимых маркеров на границе раздела между чистым металлом и сплавом, содержащим этот металл, и нагревания до температуры, при которой диффузия атомов является разумной для данного временного масштаба; граница будет перемещаться относительно маркеров.

Этот процесс был назван в честь Эрнеста Киркендалла (1914–2005), доцента кафедры химического машиностроения Государственного университета Уэйна с 1941 по 1946 год. Статья, описывающая открытие эффекта, была опубликована в 1947 году. ^[1]

Эффект Киркендалла имеет важные практические последствия. Одним из них является предотвращение или подавление пустот, образующихся на границе раздела при различных видах соединения сплава с металлом. Их называют пустотами Киркендалла .

История

Эффект Киркендалла был открыт Эрнестом Киркендаллом и Алисой Смигельскас в 1947 году в ходе продолжающихся исследований Киркендалла по диффузии в латуни . ^[2] Статья, в которой он обнаружил знаменитый эффект, была третьей в серии его работ по диффузии латуни, первой из которых была его диссертация. Его вторая статья показала, что цинк диффундирует в альфа-латуни быстрее, чем медь , что привело к исследованию, в результате которого была создана его революционная теория. До этого момента доминирующими идеями диффузионного движения были методы замещения и кольца. Эксперимент Киркендалла предоставил доказательства механизма диффузии вакансий, который является общепринятым по сей день. На момент подачи статья и идеи Киркендалла были отклонены от публикации Робертом Франклином Мелом , директором Лаборатории исследования металлов в Технологическом институте Карнеги (ныне Университет Карнеги-Меллона ). Мель отказался принять доказательства Киркендалла об этом новом механизме диффузии и отрицал публикацию более шести месяцев, смягчившись только после того, как была проведена конференция и несколько других исследователей подтвердили результаты Киркендалла. ^[2]

Эксперимент Киркендалла

В качестве сердечника использовался латунный стержень (70% Cu, 30% Zn), по длине которого были натянуты молибденовые проволоки, а затем покрыты слоем чистой меди. В качестве материала маркера был выбран молибден, поскольку он очень нерастворим в латуни, что исключает любую ошибку, связанную с самодиффузией маркеров. Диффузии позволяли происходить при 785°C в течение 56 дней, при этом поперечные сечения снимались шесть раз на протяжении всего эксперимента. Со временем было замечено, что маркеры проводов сдвинулись ближе друг к другу, поскольку цинк диффундировал из латуни в медь. На срезах разного времени была видна разница в расположении интерфейса. Изменение состава материала в результате диффузии было подтверждено методом рентгеновской дифракции . ^[1]

Механизм диффузии

Ранние модели диффузии постулировали, что движение атомов в сплавах замещения происходит по механизму прямого обмена, при котором атомы мигрируют путем переключения позиций с атомами в соседних узлах решетки. ^[3] Такой механизм подразумевает, что потоки атомов двух разных материалов через границу раздела должны быть равны, поскольку каждый атом, пересекающий границу раздела, заставляет другой атом двигаться в другом направлении.

Другой возможный механизм диффузии связан с вакансиями решетки . Атом может переместиться в свободный узел решетки, в результате чего атом и вакансия поменяются местами. Если в материале происходит крупномасштабная диффузия, то будет поток атомов в одном направлении и поток вакансий в другом.

Эффект Киркендалла возникает, когда два различных материала помещаются рядом друг с другом и между ними происходит диффузия. В общем, коэффициенты диффузии двух материалов друг в друге неодинаковы. Это возможно только в том случае, если диффузия происходит по вакансионному механизму; если бы атомы вместо этого диффундировали по механизму обмена, они пересекали бы границу раздела парами, поэтому скорости диффузии были бы одинаковыми, вопреки наблюдениям. Согласно 1-му закону диффузии Фика , поток атомов из материала с более высоким коэффициентом диффузии будет больше, поэтому будет чистый поток атомов из материала с более высоким коэффициентом диффузии в материал с более низким коэффициентом диффузии. Чтобы сбалансировать этот поток атомов, будет поток вакансий в противоположном направлении — из материала с более низким коэффициентом диффузии в материал с более высоким коэффициентом диффузии, что приведет к общему перемещению решетки относительно окружающей среды в направление материала с меньшей константой диффузии. ^[3]

Макроскопические доказательства эффекта Киркендалла можно получить, разместив инертные маркеры на начальной границе раздела двух материалов, например молибденовые маркеры на границе раздела меди и латуни. Коэффициент диффузии цинка в этом случае выше коэффициента диффузии меди. Поскольку атомы цинка покидают латунь с большей скоростью, чем атомы меди, размер области латуни уменьшается по мере развития диффузии. По отношению к молибденовым маркерам граница раздела медь-латунь движется к латуни с экспериментально измеряемой скоростью. ^[1]

Уравнения Даркена

Вскоре после публикации статьи Киркендалла Л.С. Даркен опубликовал анализ диффузии в бинарных системах, очень похожий на тот, который изучали Смигельскас и Киркендалл. Отделив реальный диффузионный поток материалов от движения границы раздела относительно маркеров, Даркен нашел скорость маркера $v$ быть ^[4]

v=(D_{1}-D_{2}){\frac {dN_{1}}{dx}},

где $D_{1}$ и $D_{2}$ - коэффициенты диффузии двух материалов и $N_{1}$ представляет собой атомную дробь. Одним из следствий этого уравнения является то, что движение границы изменяется линейно в зависимости от квадратного корня из времени, что и является экспериментальной зависимостью, открытой Смигельскасом и Киркендаллом. ^[1]

Даркен также разработал второе уравнение, которое определяет комбинированный коэффициент химической диффузии. $D$ по коэффициентам диффузии двух сопрягающих материалов: ^[4]

D=N_{1}D_{2}+N_{2}D_{1}.

Этот коэффициент химической диффузии можно использовать для математического анализа диффузии эффекта Киркендалла с помощью метода Больцмана-Матано .

Пористость Киркендалла

Одним из важных соображений, вытекающих из работы Киркендалла, является наличие пор, образующихся во время диффузии. Эти пустоты действуют как поглотители вакансий, и когда их накапливается достаточно, они могут стать существенными и расшириться в попытке восстановить равновесие. Пористость возникает из-за разницы в скорости диффузии двух видов. ^[5]

Поры в металлах имеют разветвления механических, термических и электрических свойств, поэтому часто требуется контроль над их образованием. Уравнение ^[6]

X^{K}=(a_{1}\Delta C_{1}^{\circ }+a_{2}\Delta C_{2}^{\circ }+\dots +a_{n-1}\Delta C_{n-1}^{\circ }){\sqrt {t}}

где $X^{K}$ расстояние, пройденное маркером, $a$ - коэффициент, определяемый внутренней диффузией материалов, и $\Delta C^{\circ }$ представляет собой разницу в концентрации между компонентами и оказалась эффективной моделью уменьшения пористости Киркендалла. Контроль температуры отжига — еще один метод уменьшения или устранения пористости. Пористость Киркендалла обычно возникает при определенной температуре в системе, поэтому отжиг можно проводить при более низких температурах в течение более длительного времени, чтобы избежать образования пор. ^[7]

Примеры

В 1972 году К. У. Хорстинг из корпорации RCA опубликовал статью, в которой сообщалось о результатах испытаний надежности полупроводниковых устройств , в которых соединения выполнялись с использованием алюминиевых проводов, соединенных ультразвуком с позолоченными штырями. Его статья продемонстрировала важность эффекта Киркендалла в технологии соединения проводов , а также показала значительный вклад любых присутствующих примесей в скорость, с которой происходит осаждение на проволочных соединениях. Двумя важными загрязнителями, оказывающими этот эффект, известный как эффект Хорстинг ( пустоты Хорстинг ), являются фтор и хлор . И пустоты Киркендалла, и пустоты Хорстинг являются известными причинами разрывов проволочных связей, хотя исторически эту причину часто путают с фиолетовым цветом одного из пяти различных золото-алюминиевых интерметаллидов , обычно называемых «фиолетовой чумой» и реже «белой чумой». чума". ^[8]

См. также

Электромиграция

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Смигельскас, А.Д.; Киркендалл, Э.О. (1947). «Диффузия цинка в альфа-латуни». Пер. ЭИМЭ . 171 : 130–142.
^ Jump up to: ^а ^б Накадзима, Хидео (1997). «Открытие и признание эффекта Киркендалла: результат короткой исследовательской карьеры» . ДЖОМ . 49 (6): 15–19. Бибкод : 1997JOM....49f..15N . дои : 10.1007/bf02914706 . S2CID 55941759 . Проверено 28 апреля 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б Бхадешиа, Гонконг «Эффект Киркендалла» . Кембриджский университет . Проверено 28 апреля 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б Даркен, Л.С. (февраль 1948 г.). «Диффузия, подвижность и их взаимосвязь через свободную энергию в бинарных металлических системах». Пер. ЭИМЭ . 175 : 194.
^ Зейтц, Ф. (май 1953 г.). «О пористости, наблюдаемой при эффекте Киркендалла». Акта Металлургика . 1 (3): 355–369. дои : 10.1016/0001-6160(53)90112-6 .
^ Сон, Юн Хо; Дж. Э. Моррал (ноябрь 1989 г.). «Влияние состава на движение маркера и пористость Киркендалла в тройных сплавах». Металлургические операции А . 20А (11): 2299–2303. Бибкод : 1989MTA....20.2299S . дои : 10.1007/BF02666665 . S2CID 137088474 .
^ Коган, Сан-Франциско; С. Квон; Дж. Д. Кляйн; Р.М. Роуз (май 1983 г.). «Изготовление композитов Nb3Sn большого диаметра, обработанных внешней диффузией». Транзакции IEEE по магнетизму . Маг-19 (3): 1139–1142. Бибкод : 1983ITM....19.1139C . дои : 10.1109/tmag.1983.1062517 .
^ «Усиленный загрязнением рост интерметаллидов Au/Al и хорстинговых пустот» . НАСА . Проверено 28 апреля 2013 г.

Внешние ссылки

Алоке Пол, Томи Лаурила, Веса Вуоринен и Сергей Дивински, Термодинамика, диффузия и эффект Киркендалла в твердых телах, Springer, Гейдельберг, Германия, 2014.
Эффект Киркендалла: драматическая история открытий и разработок Л. Н. Парицкой. Архивировано 14 марта 2016 г. в Wayback Machine.
Взаимная диффузия и эффект Киркендалла в сплавах Cu-Sn. Архивировано 17 мая 2018 г. в Wayback Machine.
Визуальная демонстрация эффекта Киркендалла

[original_journal-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Смигельскас, А.Д.; Киркендалл, Э.О. (1947). «Диффузия цинка в альфа-латуни». Пер. ЭИМЭ . 171 : 130–142.

[JOM_history-2] Jump up to: ^а ^б Накадзима, Хидео (1997). «Открытие и признание эффекта Киркендалла: результат короткой исследовательской карьеры» . ДЖОМ . 49 (6): 15–19. Бибкод : 1997JOM....49f..15N . дои : 10.1007/bf02914706 . S2CID 55941759 . Проверено 28 апреля 2013 г.

[Cambridge-3] Jump up to: ^а ^б Бхадешиа, Гонконг «Эффект Киркендалла» . Кембриджский университет . Проверено 28 апреля 2013 г.

[Darken-4] Jump up to: ^а ^б Даркен, Л.С. (февраль 1948 г.). «Диффузия, подвижность и их взаимосвязь через свободную энергию в бинарных металлических системах». Пер. ЭИМЭ . 175 : 194.

[porosity-5] Зейтц, Ф. (май 1953 г.). «О пористости, наблюдаемой при эффекте Киркендалла». Акта Металлургика . 1 (3): 355–369. дои : 10.1016/0001-6160(53)90112-6 .

[equation-6] Сон, Юн Хо; Дж. Э. Моррал (ноябрь 1989 г.). «Влияние состава на движение маркера и пористость Киркендалла в тройных сплавах». Металлургические операции А . 20А (11): 2299–2303. Бибкод : 1989MTA....20.2299S . дои : 10.1007/BF02666665 . S2CID 137088474 .

[7] Коган, Сан-Франциско; С. Квон; Дж. Д. Кляйн; Р.М. Роуз (май 1983 г.). «Изготовление композитов Nb3Sn большого диаметра, обработанных внешней диффузией». Транзакции IEEE по магнетизму . Маг-19 (3): 1139–1142. Бибкод : 1983ITM....19.1139C . дои : 10.1109/tmag.1983.1062517 .

[8] «Усиленный загрязнением рост интерметаллидов Au/Al и хорстинговых пустот» . НАСА . Проверено 28 апреля 2013 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]