Ανάπτυξη επικαλύψεων με την μέθοδο της χημικής εναπόθεσης ατμών στερεάς κλίνης για θερμοηλεκτρικές και αντιδιαβρωτικές εφαρμογές

Abstract

The deposition of Cu substrates with Mg, Al and Ti metallic coatings is investigated. The coating process was accomplished by Pack Cementation. In any case the optimal deposition temperature and holding time was researched. For Mg and Al coatings the phases with the minor negative effect on the electric properties of copper were formed. For the Ti coatings it is the first time that pack cementation was used for their deposition while except from Ti/Cu phases, TiN was also formed which enhances the surface hardness. The structural examination of the best samples was performed with XPS,TEM, XRD, SEM and FTIR where necessary. The marine corrosion was performed by electrochemical corrosion tests, while high temperature oxidation was accomplished by thermogravimetric measurements using a TGA apparatus. The surface hardness of Ti/Cu was performed with nanoidentation measurements. It is concluded that the corrosion resistance of the Cu substrates is significantly improved in all coating cases. The latter were measured to have much higher hardness than Cu (substate). The same process was used for the first time for the formation of thermoelectric materials on Si substrates, or heavily doped Si, by the deposition of Mg coatings. The effect of temperature and holding time were also examined. The structural examination of the samples was performed with XRD, SEM and FTIR. The electric properties and oxidation resistance of the samples on Si (and heavily doped Si) was evaluated. Thermoelectric measurements were performed and it was found that samples on heavily doped Si were significantly improved compared with the first ones. Finally a primer effort the same technique was used for the deposition of Cr on Si substrates.

Στο πρώτο σκέλος της διατριβής μελετήθηκε η επίστρωση χαλκού με επικάλυψη μαγνησίου, αλουμινίου και τιτανίου. Η διαδικασία επίστρωσης πραγματοποιήθηκε με την τεχνική εναπόθεσης κόνεων στερεάς κλίνης (Pack Cementation). Χρησιμοποιήθηκαν για κάθε επικάλυψη κατάλληλες θερμοκρασίες κ χρόνοι ώστε να επιτευχθούν οι βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξης των δειγμάτων. Η μελέτη της δομής των βέλτιστων δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με την χρήση των τεχνικών XPS, TEM, XRD, SEM και FTIR όπου θεωρήθηκε αναγκαίο. Στην συνέχεια, πραγματοποιήθηκε προσομοίωση των επιθετικών αυτών συνθηκών με τη χρήση ηλεκτροχημικής διάβρωσης. Η μεταβολή της μάζας κατά την οξείδωση μετρήθηκε με διάταξη θερμοβαρυτικής καλοριμετρίας ενώ η αύξηση της επιφανειακής σκληρότητας μετρήθηκε με την χρήση νανοσκληρόμετρου αποδεικνύοντας την βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων των δειγμάτων. Στο δεύτερο σκέλος εισάγεται για πρώτη φορά η χρήση του Pack Cementation για την σύνθεση θερμοηλεκτρικών υλικών σε υπόστρωμα πυριτίου αλλά και πυριτίου με ισχυρές προσμίξεις με την χρήση κόνεων μαγνησίου. Η μελέτη της δομής των υλικών πραγματοποιήθηκε με την χρήση των τεχνικών XRD, SEM και FTIR. Τα επιστρωμένα δοκίμια αυτά στη συνέχεια εξετάστηκαν ως προς την αντοχή τους μέσα σε περιβάλλον διάβρωσης και οξείδωσης σε υψηλές θερμοκρασίες. Από τα δείγματα που επιλέχθηκαν πραγματοποιήθηκαν θερμοηλεκτρικές μετρήσεις στις οποίες αποδείχτηκε ότι τα δείγματα με τις ισχυρές προσμίξεις βελτιστοποίησαν σημαντικά την απόδοση τους έναντι των αρχικών. Τέλος έγινε μια αρχική προσπάθεια μελέτης δειγμάτων με δότη χρωμίου σε υπόστρωμα πυριτίου, κάνοντας χρήση της ίδιας τεχνικής.