Vysokoteplotní chování metastabilních oxidových a multikomponentních neoxidových vrstev

Abstract

Keramické materiály ve formě tenkých vrstev mají velký potenciál pro použití v nejrůznějších vysokoteplotních aplikacích. Vyšetřování vysokoteplotního chování těchto materiálů je tedy klíčové pro jejich uplatnění. Předkládaná disertační práce se zabývá studiem vysokoteplotního chováním metastabilních oxidových a multikomponentních neoxidových keramických vrstev.

V první části jsou vyšetřovány fázové transformace probíhající v magnetronově naprašovaných vrstvách Al2O3 s různě nadeponovanou strukturou. Pro tento účel byly připraveny vrstvy Al2O3 s (1) amorfní, (2) částečně krystalickou a (3) čistě krystalickou nadeponovanou strukturou g-Al2O3. Je zde ukázáno, že vysokoteplotní stabilita nadeponované struktury g-Al2O3 ve vzduchu dosahuje až teploty 1100°C (při rychlosti ohřevu 40°C/min). Vrstvy s amorfní nadeponovanou strukturou vykazují vysokoteplotní stabilitu během ohřevu při stejných podmínkách do teploty 900°C. Při této teplotě se začíná amorfní struktura transformovat do krystalické fáze. Nezávisle na podílu amorfní a krystalické fáze v nadeponované struktuře se metastabilní fáze transformuje do termodynamicky stabilní fáze při teplotě přibližně 1200°C (vždy s vytvořením metastabilní fáze ). Kinetická analýza transformace g->a ukázala, že i přesto, že v obou vrstvách probíhá stejná transformace, je tento transformační proces charakterizován různými kinetickými parametry.

Druhá část práce se soustředí na vysokoteplotní stabilitu a fázové transformace ve vrstvách Al-Cu-O s nízkým obsahem Cu (0 at.% - 9,6 at.%). V této části bylo ukázáno, že zabudování Cu do vrstev Al2O3 má za následek vrstvy Al-Cu-O, které ve srovnání s čistou vrstvou Al-O vykazují zlepšené mechanické vlastnosti a zcela rozdílné vysokoteplotní chování během ohřevu. U vrstvy s obsahem Cu 1,4 at.% lze pozorovat vytvoření fáze a-Al2O3 při výrazně nižší teplotě než v čisté vrstvě Al--O (o  150°C). S rostoucím obsahem Cu se vysokoteplotní stabilita vrstev Al-Cu-O zvyšuje. Nejvyšší vysokoteplotní stability až 1150°C dosahuje vrstva Al-Cu-O s nejvyšším vyšetřovaným obsahem Cu (9,6 at.%). Během ohřevu vrstev Al-Cu-O do 1300°C byla dále pozorována endotermická transformace, během které došlo při teplotě 1150°C k rozkladu metastabilní fáze CuAl2O4.

Poslední část se zabývá vlivem Si a N na vysokoteplotní stabilitu a oxidační odolnost multikomponentních vrstev Zr-B-Si-C(-N). Přidání optimálního množství Si a N umožňuje výrazně zlepšit oxidační odolnost tenkovrstvých materiálů Zr-B-Si-C, resp. Zr-Si-B-C-N. Vrstva Zr20B39Si28C10 je elektricky vodivá (elektrická rezistivita je 9x10^-6m) a s vysokou tvrdostí (22 GPa). Tato vrstva vykazuje výbornou oxidační odolnost během ohřevu ve vzduchu až do 800°C. Vysokoteplotní stabilita elektrické rezistivity a tvrdosti dosahuje 750°C. Vrstvy Zr12B35Si28C9N15 a Zr9B22Si26C12N30 jsou v nadeponovaném stavu elektricky vodivé a vykazují podobné hodnoty tvrdosti jako vrstva Zr20B39Si28C10. Tyto vrstvy vykazují výbornou oxidační odolnost až do teploty 1000°C. Vysokoteplotní stabilita vlastností v nadeponovaném stavu (tvrdost 22 GPa a elektrická rezistivita 4x10^-5m, resp. 4x10^-3 m) dosahuje 900°C. Vrstva Zr6B21Si19C7N44 je elektricky nevodivá s tvrdostí 19 GPa a vykazuje výborné oxidační chování během ohřevu ve vzduchu až do teploty minimálně 1300°C.