Selbstfortschreitende Reaktionen in Ru/Al/X-Multilagen

Abstract

Self-propagating reactions as a means for the production of intermetallic or ceramic phases belong to the reactive synthesis methods. Their systematic study started in the 1960s, just half a century ago. In contrast to most other methods, the energy required for the process is partially or fully supplied by the exothermic synthesis reaction itself which reduces or even eliminates the need for external heat sources. Its potential technological use is therefore not only the synthesis of phases but also that of a heat source e.g. for driving other reactions (“chemical oven”) or for applications in the field of joining (“reactive joining”). A distinctive feature of the self-propagating reaction is that the process is not only determined by the choice of reactants but also by their relative arrangement, shape and size. The present work investigates for the case of reactive multilayers comprising Ruthenium and Aluminum how the characteristics of the reaction (propagation speed, ignition, reaction temperature and product phases) can be modified by adding a third element. It is shown that the choice of the element and the arrangement of the layers open new opportunities for designing the reaction. By a combination of simulations and key experiments, the role of reaction characteristics for the application of reactive joining is demonstrated.

Selbstfortschreitende Reaktionen zur Herstellung intermetallischer oder keramischer Phasen zählen zu den reaktiven Syntheseverfahren. Ihre systematische Erforschung begann in den 1960er Jahren, also erst vor einen halben Jahrhundert. Im Unterschied zu den meisten anderen Verfahren stammt die für den Prozess benötigte Energie überwiegend oder vollständig aus der exothermen Synthesereaktion selbst, was den Bedarf für externe Wärmequellen reduziert oder eliminiert. Ihr potentieller technologischer Nutzen liegt nicht nur in der Synthese von Phasen, sondern auch in der Nutzung als Wärmequelle, beispielsweise für weitere Reaktionen („chemischer Ofen“) oder für Anwendungen in der Füge- und Verbindungstechnik („reaktives Fügen“). Eine Besonderheit der selbstfortschreitenden Reaktionen ist, dass ihr Ablauf nicht nur von der Art der Ausgangsstoffe bestimmt wird, sondern auch von ihrer relativen Anordnung, Gestalt und Größe. Die vorliegende Arbeit untersucht anhand von reaktiven Multilagen aus Ruthenium und Aluminium, wie sich die Eigenschaften der Reaktion (Ausbreitungsgeschwindigkeit, Zündverhalten, Reaktionstemperatur und Produktphasen) durch den Einbau eines dritten Elements verändern lassen. Es wird gezeigt, dass die Wahl des Elements und die Stapelfolge der Schichten neue Möglichkeiten für das Design der Reaktion eröffnen. Durch die Verbindung von Simulationen und Schlüsselexperimenten wird die Rolle ihrer Eigenschaften für die Anwendung des reaktiven Fügens aufgezeigt.