Tscherne, C. (2016). Hochtemperaturbenetzung von Aluminiumoxid auf Refraktärmetallen [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2016.35440
Das Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten auf Festkörperoberflächen ist in vielen Forschungsgebieten von Interesse. Dem Endverbraucher bekannt sind vor allem Anwendungen aus der Materialforschung, wie effiziente Schmiermittel und wasser- und schmutzabweisende Schichten. Die Anwendungsgebiete in der Industrie sind weitaus vielfältiger. Neben der Materialforschung ist das Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten beispielsweise im Bereich der gedruckten Elektronik in der Dünnschichttechnologie oder auf dem Gebiet der Kristallzüchtung, bei Kristallziehverfahren aus der Schmelze, wie z.B. bei der Herstellung hochreiner Silizium-Wafer von entscheidender Bedeutung. Eine Charakterisierung des Benetzungsverhaltens erfolgt durch die Angabe des Kontaktwinkels, den ein Flüssigkeitstropfen auf der zu benetzenden Oberfläche einnimmt. In dieser Arbeit wird die Benetzung von Refraktärmetallen, Refraktärmetalllegierungen und speziell oberflächenbehandelten Refraktärmetallen durch Aluminiumoxid (Al2O3) untersucht. Alle vermessenen Proben wurden von der Firma Plansee bereitgestellt. Die Hochtemperatur- Kontaktwinkelmessanlage des Instituts für Festkörperphysik der TU Wien wurde um die Möglichkeit, Messungen unter Gasatmosphären durchzuführen, erweitert. Eine Temperaturmessung mittels Thermoelement wurde implementiert und für die gesamte Versuchsanlage eine intuitive und übersichtliche Instrumentierung in der Systemdesignsoftware Labview erstellt. In insgesamt 96 Einzelmessungen wurden 16 verschiedene Substrattypen benetzt. Für jeden Substrattyp wurden Messungen in Vakuum und 900mbar Argonumgebung durchgeführt, um den Einfluss der Gasatmosphären auf das Benetzungsverhalten zu untersuchen. Die 16 Substrattypen lassen sich in neun Materialklassen einordnen, wovon sich sieben zusätzlich hinsichtlich ihrer Oberflächenbeschaffenheit in raue und glatte Proben unterteilen lassen. Nicht für alle untersuchten Proben ließen sich Benetzungswinkel bestimmen. Speziell im Fall der beschichteten Substrate kam es zu Effekten, die das Ausbilden eines gleichmäßigen Tropfens verhinderten. Um ein besseres Verständnis über die auftretenden Phänomene zu erhalten, wurden ausgewählte Proben zusätzlich am Rasterelektronenmikroskop der Serviceeinrichtung für Transmissionselektronenmikroskopie der TU Wien untersucht.
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The wetting behaviour of liquids on solid surfaces is of great interest in many fields of research. Generally known to the public are applications in material science, like effective lubricants or water and dirt-repellent coatings. For industrial purposes the areas of applications are much more diverse. Apart from material science, the wetting characteristics of fluids are of great importance in thin-film technology (e.g. in the field of printed electronics) or in Crystal growing where a crystal ingot is pulled out of the melt (e.g. for the production of Si wafers). In general the wetting behaviour can be characterized by measuring the contact angle which forms when a drop of liquid is placed upon the surface of a solid. In this thesis the wetting of refractory metals, refractory alloys and coated refractory metals by molten alumina (Al2O3) is investigated. All samples used were provided by the Company Plansee. The existing High Temperature Sessile Drop Device at the Institute of Solid State Physics at the Vienna University of Technology was upgraded in order to allow contact angle measurements under gaseous environments. In addition, a possibility to monitor the substrate-s temperature was implemented. For the whole device a user-friendly and intuitive control interface in Labview was created. In a total of 96 measurements the wettability of 16 different types of refractories was studied. For each type measurements under vacuum and 900mbar Argon atmosphere were conducted to examine the influence of the gaseous environment on the wetting behaviour. The 16 types of samples can be subdivided according to their material into nine different classes of which seven can be further differentiated by their surface finish (rough vs. smooth). Not all samples provided measureable contact angles. Particularly in the case of the coated samples, phenomena were observed that prevented the formation of an evenly-shaped drop of molten alumina. In order to gain further insight on those phenomena several wetted refractories and their associated droplets were analysed in a scanning electron microscope
