The mechanical bonded reactive Al/Ni multilayers have numerous applications such as high temperature bonding and local heat sources. Moreover, combustion of the mechanical bonded Al/Ni multilayers generate not only high temperatures with a little providing energy to ignite the binary systems but also restrict to local heating. In this paper, a compression-bonded Ni-sputtered Al foil multilayer process is proposed in order to study the phase formation, thermal kinetic, velocity and reaction heating in mechanically bonded multilayers.
The compression-bonded multilayers exhibit advantages over the sputtered multilayers due to the negligible formation of an intermixed region and low process costs. Moreover, the process provides uniform and continuous layers which were not observed in the conventional mechanical bonded multilayers.
In the $1^{st}$ chapter, the Al/Ni multilayers with various atomic ratio was investigated as thermal annealing (TA) during slow heating via differential scanning calorimetry (DSC). The reaction paths were different significantly to the varying Al/Ni ratios. When the Al/Ni ratio of the multilayers was set to 3:1 and 3:2, the corresponding compounds ($Al_3Ni$ and $Al_3Ni_2$, respectively) were formed. Meanwhile, the reaction was not completed when sufficient Ni, above 40 at.%, was provided in the reaction. As the Ni atomic ratio increases from 41.2 to 57.6%, the reaction heating decreased from the theoretical values by up to 24.4%. The microstructures after combustion wave exhibited entirely agreed with phase diagram via solidification.
In the $2^{nd}$ chapter, the variations of the exothermic reaction behaviors of compression-bonded Ni-sputtered Al foil multilayers are investigated through controlling the interfacial layers of the multilayers. The interfacial Al oxide layers between each Ni/Al bilayer are intentionally preserved for the pursuit of thermal explosion (TE) during slow heating with up to a few tens of K/min. In contrast, the TA occurs in the highly shear-deformed multilayers with many broken Ni layers, because the ductile Al filled the gaps in the broken Ni layers to form reactive Al/Ni interfaces. Increased onset temperatures of 865 to 893 K and activation energies, 469.89 kJ/mol, are measured in the multilayers exhibiting the TE. The onset temperature is increased by 60-80 K when compared with the multilayers exhibiting the TA. The activation energy for the $Al_3Ni$ formation reaction of the multilayers exhibiting the TA is 224.14 kJ/mol. The native oxide layers between each of the Ni/Al bilayers are preserved in order to delay the Al/Ni interdiffusion using uniform compression and reduced shear stress during the compression bonding. The influences of the Al oxide layers on the exothermic reaction behavior of the compression-bonded multilayers are discussed.
In the $3^{rd}$ chapter, the Al/Ni multilayers with various atomic ratios are fabricated by various bilayer thicknesses. The microstructures that are formed after the self-propagating combustion using laser ignition result in equilibrium phases in the Ni-Al binary system. Homogeneous intermetallic compounds for $Al_3Ni_2$ and AlNi are obtained through controlling the Ni layer thickness. The onset temperatures of the multilayers are below 700 K for all multilayer samples, except the specimen with Ni of 18.6 at.%. The maximum temperatures correspond to the liquidus temperatures of the intermetallic compounds. The self-propagating direction is divided into a transverse propagating direction and a gross propagating direction. The measured gross propagation velocities vary widely without exhibiting a clear trend. However, the transverse propagation velocity is dependent on the measured maximum temperatures, while the effects of the bilayer thickness are not discernible. The measured transverse propagation velocities are similar to the reported propagation velocities for sputtered multilayers with similar bilayer thicknesses. It is indicated that the transverse propagation is progressed as partially stable as conventional stable self-propagation.
In the last chapter, we obtain stable self-propagating reactions in the multilayers through controlling the total number of multilayers. While stable self-propagation is not obtained in multilayers with 40 bilayers, it is constantly observed in the multilayers with 70 to 90 bilayers. The total reaction velocity does not have trends due to the similar bilayer thickness, while the stable self-propagation velocity is more consistent than the total reaction velocity. The minimum total number of bilayers required in order to obtain a stable self-propagation reaction for the 9 μm bilayer thickness is experimentally identified as between 60 and 70 bilayers.
기계적 접합으로 만든 반응성 Al/Ni multilayer는 high temperature bonding 및 local heat source등의 다양한 응용분야를 가지고 있다. 또한, 기계적 접합된 Al/Ni multilayer는 매우 적은 에너지의 주입으로 고온 반응이 일어날 뿐만 아니라 그 반응은 국부적으로 제한된다. 이 논문에서는 기계적 접합된 Al/Ni multilayers의 상변태, 열역학, 속도론 및 반응열에 대한 연구를 위하여 특별히 고안된Ni이 증착된 Al박막을 압축하여 만든 다층구조를 제안한다. Compression-bonded multilayers는 sputtered multilayer에 비하여 intermixed 지역이 없으며 공정가격이 싼 장점이 있다. 또한 Compression-bonded multilayers는 기존의 기계적 접합으로 제작된 multilayers가 가질 수 없었던 균일하고 연결된 layer의 제작이 가능하다.
제 1장에서는 differential scanning calorimetry (DSC)를 이용하여 여러 종류의 atomic ratio의 compression-bonded multilayers를 thermal annealing(TA) 하였다. 반응 경로는 Al/Ni 비율의 변화에 따라 상당히 다른 차이를 보였다. Multilayers의 Al/Ni 비율이 3:1 그리고 3:2로 만들었을 때 그 atomic ratio에 해당하는 상($Al_3Ni$ and $Al_3Ni_2$)이 각각 형성되었다. 한편, Ni의 atomic ratio가 40 %를 넘어가는 시편의 반응은 완전히 이루어지지 않았다. Ni atomic ratio가 41.2에서 57.6 %로 증가할 때 반응열은 atomic ratio로 계산된 반응열에 비하여 24.4%까지 감소하였다. 반응 후의 미세구조는 응고 후의 상태도와 완전히 일치함을 확인하였다.
제 2장에서는 compression bonding된 Al/Ni multilayer에서 Al/Ni사이 계면의 조절을 통한 발열반응 현상의 차이에 대한 연구가 이루어졌다. 계면의 Al 산화층은 slow heating(수~수십 K/min) 동안 thermal explosion (TE)의 발생을 위해 의도적으로 보호되었다. 이와 반대로, Al 산화층이 깨지도록 유도한 multilayer의 경우에는 연성의 Al이 깨진 Ni layer의 사이를 채워주며 reactive Al/Ni 계면을 형성하기 때문에 TA반응이 일어났다. TE 발생된 multilayer에서 865-893K로 onset temperature가 증가되었고 activation energy또한 469.89kJ/mol로 증가되었다. TA가 발생된 multilayer보다 onset temperuatre는 60-80K 증가되었고 $Al_3Ni$ 상으로의 반응에 대한 TA반응의 activation energy는 224.14kJ/mol로 측정되었다. Al/Ni의 interdiffusion을 늦추기 위한 Ni/Al사이 자연 산화막은 균일한 compression과 shear stress의 감소로 보호할 수 있었다. 그리고 compression bonding된 Al/Ni multilayer에서 발열반응의 현상에 대한 Al oxide layer의 효과를 기술하였다.
제 3장에서는, bilayer thickness의 변동으로 야기된 Al/Ni atomic ratio의 변화가 Al/Ni multilayer에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. Laser를 사용하여 점화한 self-propagating 연소반응 이후의 microstructure는 Ni-Al의 binary system에서의 atomic ratio와 일치하는 결과가 나왔다. 또한 Ni layer를 조절해 줌으로써 $Al_3Ni_2$ 와 AlNi의 homogeneous intermetallic compound가 형성되었다. Ni이 18.6 at.%인 multilayer를 제외한 모든 multilayer의 onset temperature는 700K이하에서 측정되었다. 측정된 maximum temperature는 각 시편의 intermetallic compounds에 따른 liquidus temperature의 결과에 따랐다. 반응에 의한 self-propagating의 진행방향은 transverse propagating 방향과 gross propagating 방향으로 나뉘었다. 측정된 gross propagation 속도는 특정한 추세를 보이지 않았다. 하지만, transverse propagation velocity는 bilayer thickness의 효과는 알 수 없었지만 측정된 maximum temperature의 경향과 일치하였다. 측정된 transverse propagation 속도는 유사한 두께의 sputtered multilayer에서 측정되었던 기존 연구의 self-propagation 속도와 유사하였다. 따라서 trasverse propagation이 stable하게 진행되는 기존의 self-propagation과 같이 국부적으로 stable한 반응이 진행 된 것으로 판단 할 수 있었다.
마지막 장에서는, mechanical bonded Al/Ni multilayer에서 total layer 층수를 조절하여 stable한 self-propagation반응을 얻을 수 있었다. 총 40층의 multilayer에서 stable self-propagation을 얻을 수 없었지만, 총 70 ~ 90층의 multilayer에서 꾸준히 stable한 self-propagation이 일어났다. 총 반응 속도는 bilayer thickness가 동일하였기 때문에 시편에 따라 큰 차이를 보이지 않았지만, stable한 self-propagation지역의 반응 속도는 총 반응속도에 비하여 더욱 균일하였다. 실험으로 증명된 stable한 self-propagation이 얻어질 수 있는 minimum total thickness 조건은 약 9μm의 bilayer thickness를 갖는 시편에서 total layer의 층수는 60 ~ 70층으로 분석되었다.
