5.1. Morfologia
Antes da deposição do AlN, o ataque químico revelou a existência de grãos de diferentes tamanhos e texturas nos substratos de Al. Após a deposição, as análises micrográficas de todas as amostras revelaram três características bem distintas no filme: uma região rugosa, uma região planar lisa e uma região de interface entre as duas primeiras, sem a presença de região de transição bem definida. A morfologia da superfície do filme depositado foi caracterizada ,principalmente, por MEV e AFM.
Uma região em que há uma variação da rugosidade no filme de AlN é mostrada na figura 5.1. Essas rugosidades estão relacionadas com os parâmetros do processo de deposição e, aparentemente, com a orientação dos grãos do substrato de Al.
Figura 5.1: Regiões em que o filme apresentou rugosidades.
Na Figura 5.2(A), esta influência é evidenciada pela diferença de rugosidade que pode ser observada nas partes do filme crescidas sobre dois grãos de Al distintos, separados por uma junta de grão. No lado esquerdo da imagem a superfície do filme apresenta um arranjo em lamelas mais liso se comparado com o lado direito em que prevalece uma superfície formada de pequenas escamas e mais rugosa, figura 5.2(B).
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Figura 5.2: Diferença de rugosidade entre dois grãos de Al.
Nesta escala de observação a fronteira entre os grãos é fina e nítida sugerindo a inexistência de uma zona de transição.
As regiões com topografia lisas, conforme é mostrado na figura 5.3, são regiões que apareceram, principalmente onde havia grãos grandes nos substratos de Al.
Figura 5.3: Regiões lisas crescidas sobre grãos grandes de Al.
5.2. Ensaio de Risco
Este não foi um ensaio de risco padrão, onde a carga é aumentada até o rompimento do filme, mas estes testes serviram para qualificar a adesão. Na figura 5.4 (A), observa-se que o risco vai perdendo a intensidade à medida que a rugosidade vai aumentando, o que sugere uma maior resistência ao risco nessas regiões. Na figura 5.4 (B) é possível ver que o filme não delaminou. À medida que a rugosidade diminui, o filme de AlN torna-se mais frágil, e é possível ver algumas trincas nessas regiões (figura 5.4 C e D). Com a ampliação dessa imagem, percebe-se que as trincas se estenderam além da região do risco.
A B
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Figura 5.4: (A) Ensaio de Risco em uma região mais rugosa. (B) Ampliação da regiãolisa. (C) Ensaio de risco em uma região com maior rugosidade. (D) Ampliação da regiãomais rugosa.
5.3. Contração Térmica Diferencial
A observação da aderência é facilitada quando se dispõe de uma superfície bem representativa. Com esse objetivo realizou-se o teste de contração térmica diferencial, visto que a diferença significativa entre os coeficientes de expansão térmica gera esforços de compressão na camada depositada capazes de romper o filme.
As amostras recobertas foram submetidas a um choque térmico por imersão em nittrogênio (N2) líquido a partir da temperatura ambiente. As tensões térmicas causadas por esta variação brusca de temperatura causaram várias trincas no filme, conforme registrado na figura 5.5.
Risco
Risco
A B
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Figura 5.5: (A) Fratura do filme entre duas regiões diferentes. Em cima uma região mais lisa, na parte inferior uma região mais rugosa. (B) Ampliação da região de junta.
Na região de topografia mais suave (lisa), [figura 5.6 (A)] o filme de AlN é completamente fraturado, assim o filme deixa de ser contínuo e são formadas placas de AlN. Nas regiões mais rugosas [figura 5.6 (B)], o filme apresenta maior dificuldade para se fragmentar, como se a rugosidade funcionasse como uma barreira à propagação das tensões geradas.
Figura 5.6: (A) Região de lisa, aonde o filme foi completamente fraturado. (B) Interface entre duas regiões (lisa e rugosa) a região rugosa tem maior aderência.
Na figura 5.7 é possível perceber a relação da influencia da orientação do substrato na deposição do filme. Este ensaio revelou que em cada grão, as tensões térmicas se comportam de formas diferentes, gerando diferentes pradões de trincamento.
A B
c
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Figura 5.7: Padrões de trincas em dois grão de Al gerados por contração térmica.
5.4. Ensaio de Microdureza Vickers
Os resultados dos testes de microdureza Vickers são mostrados na tabela 1. Estes valores não estão de acordo com os valores esperados. Os baixos valores da microdureza Vickers do filme, mais baixa que os valores da microdureza do substrato, (tabela 2), indicam que o penetrador do microdurômetro ultrapassou a espessura do filme, obtendo assim valores não consistentes.
Na figura 5.8(A e B), a marca da indentação Vickers mostra a acomodação das “escamas”. Nessas regiões, as indentações não ficaram perfeitas, pois o filme absorveu as tensões nessas regiões, sugerindo assim, uma melhor adesão ao substrato.
.
Figura 5.8: A marca do indentador Vickers mostra a acomodação das “escamas” sob ação da carga, sem o aparecimento de trincas.
47 A seqüência de imagens a seguir, evidencia o efeito da concentração das tensões, que é mostrado por meio dos padrões das trincas ao longo das arestas das impressões do indentador piramidal, figura 5.9 (A, B, C e D). Áreas vizinhas em que houve destacamento do filme demonstram o efeito do deslocamento lateral do material dúctil subjacente (alumínio) levando o filme frágil à ruptura.
Figura 5.9: Comportamento frágil do revestimento fino evidenciado pelo complexoarranjo de trincas provocado pela indentação do filme depositado sobre grão de Al “liso”.
C D
48 Tabela 5.1: Valores da microdureza Vickers do filme AlN.
Indentação Média da Diagonal mm Carga (kgf) HV
MEV 1 151 0,300 24 MEV 2 142 0,300 27 MEV 3 130 0,300 32 MEV 4 129 0,300 33 MEV 5 145 0,300 26 MEV 6 175 0,100 6 MEV 7 132 0,100 10 MEV 8 157 0,100 7 Óptica 1 156 0,300 22 Óptica 2 74 0,100 33 Óptica 3 148 0,300 25 Óptica 4 76 0,100 31
Tabela 5.2: Valores da microdureza Vickers do substrato de Al. Indentação Carga (kgf) HV 1 0,100 29 2 0,050 43 3 0,050 38 4 0,050 37 5 0,050 38 6 0,050 37 7 0,050 34 8 0,050 34 9 0,050 36 10 0,050 39 11 0,050 40 12 0,050 40
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5.5. Análise por EBSD
Os monocristais de alumínio (grãos desenvolvidos a partir de encruamento crítico seguido de recristalização) exibiram três orientações cristalinas distintas refletidas nos aspectos topográficos observados: lamelar rugoso, planar liso e uma topografia com uma linha de interface. As duas orientações extremas, correspondentes aos grãos de aspecto rugoso e planar liso, podem ser visualizadas a partir da interpretação das figuras de pólo apresentadas na figura 5.10. A maior distorção detectada, entre grãos, foi de aproximadamente 11° para os planos da família {111} e 20° para {001}. Grãos com desorientação intermediária estão distribuídos entre os de maior desajuste angular. Em todos os casos o filme depositado reproduzido é influenciado pela topografia do substrato.
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5.6. Análise por AFM
Baseado nos três aspectos topográficos do filme de AlN e no tamanho de grão (cristais) do substrato de Al, duas amostras foram analisadas por AFM: Amostra 1 – grãos grandes e amostra 2 – grãos pequenos.
A amostra 1 já havia passado pelo ensaio de contração térmica diferencial, mesmo assim, foi possível observar os três aspectos morfológicos no filme fragmentado. Nos dois casos o filme de AlN depositado foi influenciado pela topografia do substrato e os resultados obtidos para as duas amostras foram similares. As figuras a seguir estão separadas por topografia, assim os três aspectos topográficos são analisados, sempre comparando as amostras de grãos grandes com as amostras de grãos pequenos.
Nas figuras 5.11 encontram-se as imagens das regiões lisas da amostra de grãos grandes e (A) e (B) e as de grãos pequenos (C) e (D). Nas figura (A) e (B), o filme está fragmentado pelo ensaio de contração térmica diferencial, mesmo assim é possível perceber a região lisa e sua fragmentação influenciada pelos grãos do substrato de Al, indicando uma fraca aderência.
Na figura 5.12 (A) e (B) são apresentadas as imagens das regiões rugosas da amostra de grãos grandes, que são muito similares as imagens rugosas da amostra de grãos pequenos, [figura 5.12 (C) e (D)]. As imagens são tão similares que não é possível observar que as regiões analisadas nas imagens (A) e (B) passaram pelo ensaio de contração térmica diferencial.
As regiões de interface também são muito similares [figura 5.13 (A) e (B)] à amostra de grãos grandes [figura 5.13 (C) e (D)] amostra de grãos pequenos. Mais uma vez, é possível analisar a influência dos grãos de Al na fragmentação do filme de AlN, que ocorre nas figuras (A) e (B), o que reforça que a diferença na orientação dos grãos influencia na deposição do filme e consequentemente na forma na qual ele absorve as tensões geradas pelo ensaio de contração térmica diferencial. Como dito anteriormente, é possível ver que não há uma zona de transição bem definida e que a região que delimita as duas regiões é formada por um vale referente ao contorno de grão do substrato de Al, figuras (C) e (D).
Com isso é possível observar que o tamanho dos grãos em uma amostra influencia menos na deposição do filme que a orientação dos grãos na mesma amostra.
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Figura 5.11: Região lisa do filme de AlN – figura(A) e (B) região fragmentada na amostra 1, de grãos grandes. Figura (C) e (D): amostra 2, de grãos pequenos.
A
D C B
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Figura 5.12: Regiões rugosas do filme de AlN – figura (A) e (B), região rugosa da amostra 1, de grãos grandes. Figura (C) e (D): região rugosa da amostra 2 de grãos pequenos.
A
D C B
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Figura 5.13: Regiões de interface entre as zonas lisas e rugosas do filme de AlN – figuras (A) e (B) região da interface da amostra 1de grãos grandes. Figuras (C) e (D): região de interface da
amostra 2, de grãos pequenos.
A
D C B
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5.6.1. Rugosidade
Foi realizada uma análise de rugosidade para uma imagem de cada região. Os resultados obtidos se encontram nas tabelas 5.3 e 5.4.
Tabela 5.3: Parâmetros de rugosidade da amostra 1.
Região Imagem Rugosidade
Média – Sa (nm) Raiz Quadrada Média – Sq (nm) Lisa 327,712 403,477 Rugosa 523,441 685,402 Interface 431,322 543,786
55 Tabela 5.4: Parâmetros de rugosidade da amostra 2.
Região Imagem Rugosidade
Média – Sa (nm) Raiz Quadrada Média – Sq (nm) Lisa 391,634 542,397 Rugosa 683,71 837,173 Interface 689,789 875,532 .
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5.6.2. Perfil de linha
Em cada uma das imagens selecionadas no item anterior, também foi medido um perfil de linha para verificar como ocorre a variação da topografia ao longo de uma linha. Os resultados obtidos se encontram nas tabelas 5.5 e 5.6.
Tabela 5.5: Perfil de linha das imagens da amostra 1.
57 Tabela 5.6: Perfil de linha das imagens da amostra 2.
58 Como já apresentado nas análises anteriores, as imagens de AFM evidenciam a fraca aderência do filme de AlN nas regiões lisas. Na amostra de grãos grandes, que passou pelo ensaio de contração térmica diferencial, o filme se fragmenta em várias partes. A imagem do filme fragmentado também permite observar a uniformidade do filme, que se destaca de forma regular. Ainda nos cristais lisos, o filme apresentou trincas, analisadas principalmente na amostra 2. Já nos cristais rugosos a aderência foi maior e não foi percebida a formação de trincas. A região de interface evidencia com muita clareza que não há uma zona de transição entre as regiões lisa e rugosa, e que a rugosidade funciona como uma barreira que acomoda as tensões evitando trincas e destacamento do filme. As análises de rugosidade de ambas as amostras são muito similares. Como era de se esperar, as regiões rugosas apresentaram maior rugosidade. As análises do perfil de linha foram mais informativas. Por meio delas, na região lisa da amostra 1, é possível perceber a espessura do filme, na região em que este se encontra fragmentado. Nas regiões de interface, as juntas de grão formam um vale, que funciona como uma barreira, impedindo uma zona de transição entre as regiões.
5.7. Ensaio de Desgaste com Micro-esfera
Em quase todos os ensaios o filme foi desgastado até que a esfera entrasse em contato com o substrato. Assim, puderam ser observados aspectos morfológicos da interface filme/substrato.
As calotas variam de tamanho e forma, conforme variam os parâmetros do ensaio (estado da superfície da esfera, suspensão abrasiva e tempo). Também há aspectos ligados à morfologia do filme que influenciam na forma das calotas, figura 5.14 (A), onde pode se ver uma calota perfeita feita sobre um único grão. Já na figura 5.14 (B), a calota foi feita sobre dois grãos diferentes, com orientações cristalográficas diferentes, o que influenciou no formato da calota, ou seja, no desgaste do filme. Na figura 5.15 são apresentadas três calotas obtidas usando suspensões abrasivas diferentes. Na calota 1 foi utilizada uma suspensão abrasiva de sílica. Nas calotas 2 e 3 foram utilizadas uma suspensão com pasta de diamante.
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Figura 5.14: (A) Calota feita sobre um único grão. (B) Calota feita sobre dois grãos.
Figura 5.15: (A) Calotas feitas por dois tipos de suspensões abrasivas: Calota 1 feita com suspensão abrasiva de sílica. Calota 2 e 3, calota obtida com suspensão abrasiva de pasta de
diamante. (B) Microscopia óptica.
Na figura 5.16 é apresentada a calota obtida com suspensão abrasiva de sílica. Ela se encontra muito próxima da região de contorno de grão, região em que se forma um vale. Dentro do vale, o filme foi preservado, mas ficou preenchido com cristais de sílica e pedaços do próprio filme de nitreto de alumínio.
O desgaste do filme termina nesse deposito de detritos ou resíduos de desgaste, resultante do trabalho de abrasão, figura 5.17 (A). Na figura 5.17 (B) nota-se a presença de planos de deslizamento de material dúctil do substrato. Esses planos aparecem sempre na mesma direção da rotação da esfera (da esquerda para direita), geralmente fora da borda esquerda da calota, região em que há o arraste de material. Este ensaio demorou apenas 60 segundos, pois a suspensão abrasiva de sílica desgastou o filme rapidamente. 1 3 2 A B A B
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Figura 5.16: Calota obtida com suspensão abrasiva de sílica em uma região próxima a um contorno de grão.
Figura 5.17: (A) Borda esquerda da calota obtida com suspensão abrasiva de sílica. (B) Borda direita inferior da calota obtida com suspensão abrasiva de sílica.
Os cristais maiores que aparecem tanto no vale como dentro da calota são cristais de sílica, o que é comprovado pelos mapas de fluorescência de raios-X das figuras 5.18 e 5.19. Placas do filme de AlN fragmentados também estão depositados nessa região.
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Figura 5.18: Mapa de fluorescência de raios-X de uma região no interior da calota.
Figura 5.19: Mapa de fluorescência de raios-X de uma região do contorno de grão próxima da calota.
Conforme apresentado figura 5.20, obtida com suspensão abrasiva de pasta de diamante, o filme demorou mais para se desgastar, pois a pasta de diamante servia como lubrificante no inicio do desgaste. Assim que era colocada a suspensão de pasta de
62 diamante, a corrente medida pela fonte diminuía, o que significava que a força de contato entre a amostra e a esfera diminuía. Então, pôde ser observado que em uma determinada região da calota provou um desgaste intenso e em outra houve um desgaste brando. Também, pôde-se perceber um deslocamento de material dúctil do substrato, advindo do efeito da pressão exercida pela esfera, que provoca uma deformação plástica, e que está retirando esse material e empurrando-o para a lateral (bordas da calota). Isso impede a formação de uma calota perfeita.
Figura 5.20: (A) Borda esquerda da calota. (B) Borda direita da amostra
Na figura 5.21, cuja calota também foi feita com suspensão abrasiva de pasta de diamante, mais uma vez observa-se o deslocamento de material dúctil do substrato para a borda da calota, que neste caso levou ao surgimento de bandas de deslizamento, fraturando o filme à sua volta.
Figura 5.21: Filme fragmentado pela ação do deslocamento de material dúctil.
Na figura 5.22, ensaio em que se obteve uma calota sem o uso de suspensão abrasiva, ou seja, somente contato entre a esfera e a amostra, foi possível observar que
A B
63 há menos partículas dentro da calota. Mais uma vez, também foi possível observar os planos gerados pelo movimento do material dúctil, devido à pressão entre a esfera e amostra. Este ensaio precisou ter uma duração de 5 minutos para se chegar a esse resultado.
Figura 5.22: Calota obtida por ensaio sem suspensão abrasiva, observam- se bandas de deslizamentos.(B) Ampliação.
Nos ensaios realizados sem suspensão abrasiva, com duração de apenas 20 segundos, figura 5.23, não pode ser observado resultados conclusivos. Aqui é possível ver que este ensaio, não apenas arranhou o filme, mas começou a desgastá-lo, sugerindo que neste ensaio o filme se desgasta muito rapidamente.
Figura 5.23: Resultado do ensaio realizado sem suspensão abrasiva, durante 20s. (A) Microscopia óptica. (B) Microscopia eletrônica.
Com relação a rugosidade da esfera, não houve dados significativos. O que importa é se a esfera está centralizada, pois se não, a esfera começa a bater na amostra e danifica o filme.
A B
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5.8. Ondas de Pulso Laser
Nesta parte, os espectros das ondas propagantes no interior de algumas amostras são apresentados e analisados:
Figura 5.24: Transmissão de energia através do substrato de vidro.
Os espectros das ondas propagantes, apresentados nas figuras 5.24 e 5.25 foram feitos com o propósito de se obter informações sobre comportamento da propagação de ondas mecânicas em sólidos que não apresentam uma estrutura cristalina organizada, como é o caso do vidro, de uma camada polimérica e do silicone.
Na figura 5.24, o espectro da onda propagante em um substrato de vidro sem filme é apresentado. Observa-se que o decaimento da energia é uniforme.
Já na figura 5.25, pode se perceber que a camada de verniz sobre o substrato de vidro modificou o espectro, pois certa quantidade de energia foi absorvida e o espectro também apresenta vários ecos, característicos das reflexões das ondas que se propagam no sistema substrato/camada polimérica. Esses ecos do começo do espectro podem estar ligados aos mecanismos de desprendimentos da camada do substrato. Neste caso, a onda do pulso laser incidiu diretamente sobre a camada.
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Figura 5.25: Transmissão de energia através do sistema substrato/filme de verniz.
Analisando os espectros das figuras 5.24 e 5.25 percebe-se que o aparato experimental desenvolvido tem uma sensibilidade para detectar as mudanças na propagação da onda no substrato coberto com uma camada de verniz. A transmissão de energia é afetada pelas condições microestruturais reinantes no par camada/ substrato. Enquanto a onda percorre a camada, ela produz vários ecos, que ajudam a dissipar a energia. Ajustes na curva permitem a determinação do coeficiente de amortecimento da onda mecânica. Mas conforme os ecos ou reflexões da onda propagante, esse cálculo tende a ser mais complexo, pois fica difícil calcular a energia total envolvida e o decaimento exponencial da energia não é tão evidente; é preciso analisar as variações relativas das amplitudes das reflexões sucessivas ao longo do espectro. A energia total pode ser considerada a soma das energias: absorvida pela camada, transmitida ao substrato e energia dos ecos ou reflexões, conforme mostrado na figura 5.26. A energia absorvida está relacionada com os efeitos térmicos e de dispersão da energia pelos constituintes das microestruturas (contornos de grão, defeitos internos, precipitados, inclusões, etc.). A energia transmitida ao substrato é a energia mecânica associada à energia da onda refletida. Os ecos ou reflexões do inicio estão relacionados com a dissipação de energia durante a ablação referente ao plasma formado na camada.
A velocidade de propagação das ondas mecânicas é tradicionalmente calculada a partir do tempo de percurso das ondas propagantes na extensão da amostra submetida aos testes.
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Figura 5.26: Tipos de distribuição da energia entre a camada e o substrato.
Os ecos correspondentes às reflexões da onda, que delimitam o comprimento da amostra são detectados pelo transdutor piezoelétrico e são exibidos no osciloscópio, tais como na figura 5.27, para uma amostra de alumínio puro.
Figura 5.27: Espectro da amostra de alumínio puro.
A velocidade de propagação é calculada pela reflexão da onda entre as superfícies que delimitam a amostra: v=2l/t, onde l é o comprimento da amostra e t é o
67 tempo de percurso correspondente a uma reflexão, na extremidade da amostra e do retorno da onda refletida. Através do espectro das amplitudes e reflexões adjacentes da onda na figura 5.27, observa-se o valor de t. O decaimento exponencial da amplitude dos pulsos (decaimento da energia das ondas refletidas) também está evidenciado.
Mesmo sendo muito espessa (2,0cm), uma amostra com o sistema alumínio/silicone/alumínio (figura 5.28) apresentou um espectro bem distinto. Como a amostra possui duas interfaces (alumínio/silicone e silicone/alumínio) e duas superfícies frontais que a delimitam, ocorreram várias reflexões, que podem ser evidenciadas com as amplitudes da onda, quase que se sobrepondo umas sobre as outras. Já o decaimento exponencial não ficou bem caracterizado, mesmo assim, depois de certo ponto, é possível ver que a energia decai rapidamente.
Figura 5.28: Amostra de alumínio/silicone/alumínio.
Após estes testes preliminares, iniciou-se os ensaios com as amostras de substrato de Al com o filme de AlN. Os três espectros apresentados a seguir, figura 5.29 e figura 5.30, foram feitos sob as mesmas condições, e os dois primeiros espectros foram bem similares. O terceiro espectro, figura 5.30 teve algumas modificações significativas em suas características, o que pode estar relacionado com fraturas e desprendimento do filme de AlN do substrato de Al. A energia das reverberações da