Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Development of hybrid UV VCSEL with organic active material and dielectric DBR mirrors for medical, sensoric and data storage applications

Lasers play an important role for medical, sensoric and data storage devices. This thesis is focused on design, technology development, fabrication and characterization of hybrid ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (UV VCSEL) with organic laser-active material and inorganic distributed Bragg reflectors (DBR). Multilayer structures with different layer thicknesses, refractive indices and absorption coefficients of the inorganic materials were studied using theoretical model calculations. During the simulations the structure parameters such as materials and thicknesses have been varied. This procedure was repeated several times during the design optimization process including also the feedback from technology and characterization. Two types of VCSEL devices were investigated. The first is an index coupled structure consisting of bottom and top DBR dielectric mirrors. In the space in between them is the cavity, which includes active region and defines the spectral gain profile. In this configuration the maximum electrical field is concentrated in the cavity and can destroy the chemical structure of the active material. The second type of laser is a so called complex coupled VCSEL. In this structure the active material is placed not only in the cavity but also in parts of the DBR structure. The simulations show that such a distribution of the active material reduces the required pumping power for reaching lasing threshold. High efficiency is achieved by substituting the dielectric material with high refractive index for the periods closer to the cavity. The inorganic materials for the DBR mirrors have been deposited by Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) machines. Extended optimizations of the technological processes have been performed. All the processes are carried out in a clean room Class 1 and Class 10000. The optical properties and the thicknesses of the layers are measured in-situ by spectroscopic ellipsometry and spectroscopic reflectometry. The surface roughness is analyzed by atomic force microscopy (AFM) and images of the devices are taken with scanning electron microscope (SEM). The silicon dioxide (SiO2) and silicon nitride (Si3N4) layers deposited by the PECVD machine show defects of the material structure and have higher absorption in the ultra violet range compared to ion beam deposition (IBD). This results in low reflectivity of the DBR mirrors and also reduces the optical properties of the VCSEL devices. However PECVD has the advantage that the stress in the layers can be tuned and compensated, in contrast to IBD at the moment. A sputtering machine Ionsys 1000 produced by Roth&Rau company, is used for the deposition of silicon dioxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4), aluminum oxide (Al2O3) and zirconium dioxide (ZrO2). The chamber is equipped with main (sputter) and assisted ion sources. The dielectric materials were optimized by introducing additional oxygen and nitrogen into the chamber. DBR mirrors with different material combinations were deposited. The measured optical properties of the fabricated multilayer structures show an excellent agreement with the results of theoretical model calculations. The layers deposited by puttering show high compressive stress. As an active region a novel organic material with spiro-linked molecules is used. Two different materials have been evaporated by utilizing a dye evaporation machine in the clean room of the department Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien (mmCmm). The Spiro-Octopus-1 organic material has a maximum emission at the wavelength λemission = 395 nm and the Spiro-Pphenal has a maximum emission at the wavelength λemission = 418 nm. Both of them have high refractive index and can be combined with low refractive index materials like silicon dioxide (SiO2). The sputtering method shows excellent optical quality of the deposited materials and high reflection of the multilayer structures. The bottom DBR mirrors for all VCSEL devices were deposited by the DIBS machine, whereas the top DBR mirror deposited either by PECVD or by combination of PECVD and DIBS. The fabricated VCSEL structures were optically pumped by nitrogen laser at wavelength λpumping = 337 nm. The emission was measured by spectrometer. A radiation of the VCSEL structure at wavelength 392 nm and 420 nm is observed.

MEMS-based Tunable Optical Filter Arrays for Nano-Spectrometer in the Visible Spectral Range

Optische Spektrometer sind bekannte Instrumente für viele Anwendungen in Life Sciences, Produktion und Technik aufgrund ihrer guten Selektivität und Sensitivität zusammen mit ihren berührungslosen Messverfahren. MEMS (engl. Micro-electro-mechanical system)-basierten Spektrometer werden als disruptive Technologie betrachtet, in der miniaturisierte Fabry-Pérot Filter als sehr attraktiv für die optische Kommunikation und 'Smart Personal Environments', einschließlich des medizinischen Anwendungen, zu nennen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, durchstimmbare Filter-Arrays mit kostengünstigen Technologien herzustellen. Materialien und technologische Prozesse, die für die Herstellung der Filter-Arrays benötigt werden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden durchstimmbare Fabry Pérot Filter-Arrays für den sichtbaren Spektralbereich untersucht, die als Nano-Spektrometer eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde ein Modell der numerischen Simulation vorgestellt, die zur Ermittlung eines optimales geometrisches Designs verwendet wurde, wobei sich das Hauptaugenmerk der Untersuchung auf die Durchbiegung der Filtermembranen aufgrund der mechanischen Verspannung der Schichten richtet. Die geometrische Form und Größe der Filtermembranen zusammen mit der Verbindungsbrücken sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Durchbiegung beeinflussen. Lange und schmale Verbindungsbrücken führen zur stärkeren Durchbiegung der Filtermembranen. Dieser Effekt wurde auch bei der Vergrößerung der Durchmesser der Membran beobachtet. Die Filter mit spiralige (engl. curl-bent) Verbindungsbrücken führten zu geringerer Deformation als die mit geraden oder gebogenen Verbindungsbrücken. Durchstimmbare Si3N4/SiO2 DBR-basierende Filter-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Eine Untersuchung über die UV-NIL Polymere, die als Opferschicht und Haltepfosten-Material der Filter verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Polymere sind kompatibel zu dem PECVD-Verfahren, das für die Spiegel-Herstellung verwendet wird. Die laterale Strukturierung der DBR-Spiegel mittels des RIE (engl. Reactive Ion Etching)-Prozesses sowie der Unterätz-Prozess im Sauerstoffplasma zur Entfernung der Opferschicht und zum Erreichen der Luftspalt-Kavität, wurden durchgeführt. Durchstimmbare Filter-Arrays zeigten einen Abstimmbereich von 70 nm bei angelegten Spannungen von weniger als 20 V. Optimierungen bei der Strukturierung von TiO2/SiO2 DBR-basierenden Filtern konnte erzielt werden. Mit der CCP (engl. Capacitively Coupling Plasma)-RIE, wurde eine Ätzrate von 20 nm/min erreicht, wobei Fotolack als Ätzmaske diente. Mit der ICP (engl. Inductively Coupling Plasma)-RIE, wurden die Ätzrate von mehr als 60 nm/min mit einem Verhältniss der Ar/SF6 Gasflüssen von 10/10 sccm und Fotolack als Ätzmasken erzielt. Eine Ätzrate von 80 bis 90 nm/min wurde erreicht, hier diente ITO als Ätzmaske. Ausgezeichnete geätzte Profile wurden durch den Ätzprozess unter Verwendung von 500 W ICP/300 W RF-Leistung und Ar/SF6 Gasflüsse von 20/10 sccm erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die Realisierung eines breiten Spektralbereichs der Filter-Arrays im Nano-Spektrometer.

Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.

Modification and Analysis of Group-13-Nitride Semiconductor Surfaces: Influence of Adsorbates on Device Characteristics and Processing

Im Rahmen dieser interdisziplinären Doktorarbeit wird eine (Al)GaN Halbleiteroberflächenmodifikation untersucht, mit dem Ziel eine verbesserte Grenzfläche zwischen dem Material und dem Dielektrikum zu erzeugen. Aufgrund von Oberflächenzuständen zeigen GaN basierte HEMT Strukturen üblicherweise große Einsatzspannungsverschiebungen. Bisher wurden zur Grenzflächenmodifikation besonders die Entfernung von Verunreinigungen wie Sauerstoff oder Kohlenstoff analysiert. Die nasschemischen Oberflächenbehandlungen werden vor der Abscheidung des Dielektrikums durchgeführt, wobei die Kontaminationen jedoch nicht vollständig entfernt werden können. In dieser Arbeit werden Modifikationen der Oberfläche in wässrigen Lösungen, in Gasen sowie in Plasma analysiert. Detaillierte Untersuchungen zeigen, dass die inerte (0001) c-Ebene der Oberfläche kaum reagiert, sondern hauptsächlich die weniger polaren r- und m- Ebenen. Dies kann deutlich beim Defektätzen sowie bei der thermischen Oxidation beobachtet werden. Einen weiteren Ansatz zur Oberflächenmodifikation stellen Plasmabehandlungen dar. Hierbei wird die Oberflächenterminierung durch eine nukleophile Substitution mit Lewis Basen, wie Fluorid, Chlorid oder Oxid verändert, wodurch sich die Elektronegativitätsdifferenz zwischen dem Metall und dem Anion im Vergleich zur Metall-Stickstoff Bindung erhöht. Dies führt gleichzeitig zu einer Erhöhung der Potentialdifferenz des Schottky Kontakts. Sauerstoff oder Fluor besitzen die nötige thermische Stabilität um während einer Silicium-nitridabscheidung an der (Al)GaN Oberfläche zu bleiben. Sauerstoffvariationen an der Oberfläche werden in NH3 bei 700°C, welches die nötigen Bedingungen für die Abscheidung darstellen, immer zu etwa 6-8% reduziert – solche Grenzflächen zeigen deswegen auch keine veränderten Ergebnisse in Einsatzspannungsuntersuchungen. Im Gegensatz dazu zeigt die fluorierte Oberfläche ein völlig neues elektrisches Verhalten: ein neuer dominanter Oberflächendonator mit einem schnellen Trapping und Detrapping Verhalten wird gefunden. Das Energieniveau dieses neuen, stabilen Donators liegt um ca. 0,5 eV tiefer in der Bandlücke als die ursprünglichen Energieniveaus der Oberflächenzustände. Physikalisch-chemische Oberflächen- und Grenzflächenuntersuchung mit XPS, AES oder SIMS erlauben keine eindeutige Schlussfolgerung, ob das Fluor nach der Si3N4 Abscheidung tatsächlich noch an der Grenzfläche vorhanden ist, oder einfach eine stabilere Oberflächenrekonstruktion induziert wurde, bei welcher es selbst nicht beteiligt ist. In beiden Fällen ist der neue Donator in einer Konzentration von 4x1013 at/cm-2 vorhanden. Diese Dichte entspricht einer Oberflächenkonzentration von etwa 1%, was genau an der Nachweisgrenze der spektroskopischen Methoden liegt. Jedoch werden die elektrischen Oberflächeneigenschaften durch die Oberflächenmodifikation deutlich verändert und ermöglichen eine potentiell weiter optimierbare Grenzfläche.

Influence of the substitution of Y2O3 for CeO2 on the mechanical and microstructural properties of silicon nitride

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Obtenção in situ do compósito alfa-SiAlON-SiC

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Design, manufacturing, and testing of a Nb3Sn coil employing Ti alloy as structural material

We describe the design, manufacturing, and testing results of a Nb3Sn superconducting coil in which TiAIV alloys were used instead of stainless steel to reduce the magnetization contribution caused by the heat treatment for the A-15 Nb-3 Sn phase formation that affects the magnetic field homogeneity. Prior to the coil manufacturing several structural materials were studied and evaluated in terms of their mechanical and magnetic properties in as-worked, welded, and heat-treated conditions. The manufacturing process employed the wind-and-react technique followed by vacuum-pressure impregnation(VPI) at 1 MPa atm. The critical steps of the manufacturing process, besides the heat treatment and impregnation, are the wire splicing and joint manufacturing in which copper posts supported by Si3N4 ceramic were used. The coil was tested with and without a background NbTi coil and the results have shown performance exceeding the design quench current confirming the successful coil construction.

Development of alpha-SiAlON-SiC ceramic composites by liquid phase sintering

In this work, in situ alpha-SiAlON-SiC ceramic composites were obtained,by, liquid phase sintering, using SiC as reinforcement. Different beta-SiC powder contents (0-20 wt.%), were added to Si3N4-AlN-RE2O3. powder mixtures, and compacted by cold isostatic pressing. The samples were sintered at 1950 degrees C for 1 h, in N-2 atmosphere. Sintered: samples were characterized by relative density, weight loss, X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Furthermore, mechanical properties such as hardness and fracture toughness were determined by Vickers indentation method. Lattice parameters of the alpha' phase did not considerably change with increase of SiC content. However, morphology, average grain size and aspect ratio of the alpha' phase were considerably changed with increase of the SiC content. These behavior influences significantly the mechanical properties of this hard ceramic composite. (C) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

alpha-SiAlON ceramics with elongated grain morphology using an alternative sintering additive

In this work, the use of a natural yttrium oxide and rare earth oxide solid solution (CRE2O3) as stabilizers of the alpha-Si3N4 phase to form alpha-SiAlON has been investigated. This oxide mix is produced at FAENQUIL-DEMAR, at a cost of only 20% of pure commercial Y2O3. Two alpha-SiAlONs using pure Y2O3 or CRE2O3 have been prepared, using mixes of 20% by volume of a molar fraction of 9:1 of AlN to Y2O3 or AlN to CRE2O3, respectively, with 80% alpha-Si3N4. Samples were gas pressure-sintered at 1900 degreesC, under 1.5 MPa of N-2 for 60 min. Both compositions yielded alpha-SiAlON ceramics with high relative densities (98% t.d.), hardness of 18 GPa and fracture toughness of 5 Mpa m(1/2), with homogeneous microstructures composed of elongated alpha-SiAlON grains with aspect ratios of 5. It is concluded that the mixed rare earth concentrate (CRE2O3) can be used to produce alpha-SiAlON ceramics with similar microstructures and mechanical properties of alpha-SiAlON ceramics fabricated using pure Y2O3, but with the advantage of its lower production cost. (C) 2004 Elsevier B.V All rights reserved.

Evaluation of the performance of α-SiAlON tool when turning Ti-6Al-4V alloy without coolant

Due to their high hardness and wear resistance, Si3N4 based ceramics are one of the most suitable cutting tool materials for machining cast iron, nickel alloys and hardened steels. However, their high degree of brittleness usually leads to inconsistent results and sudden catastrophic failures. This necessitates a process optimization when machining superalloys with Si3N4 based ceramic cutting tools. The tools are expected to withstand the heat and pressure developed when machining at higher cutting conditions because of their high hardness and melting point. This paper evaluates the performance of α-SiAlON tool in turning Ti-6Al-4V alloy at high cutting conditions, up to 250 m min-1, without coolant. Tool wear, failure modes and temperature were monitored to access the performance of the cutting tool. Test results showed that the performance of α-SiAl0N tool, in terms of tool life, at the cutting conditions investigated is relatively poor due probably to rapid notching and excessive chipping of the cutting edge. These facts are associated with adhesion and diffusion wear rate that tends to weaken the bond strength of the cutting tool.

Comparative study on turning CI and CGI using silicon nitride cutting tools

There has been a great interest for improving the machining of cast iron materials in the automotive and other industries. Comparative studies for tool used to machine grey cast iron (CI) and compacted graphite iron (CGI) on dry machining were also performed in order to find out why in this case the tool lifetime is not significantly higher. However the machining these materials while considering turning with the traditional high-speed steel and carbide cutting tools present any disadvantages. One of these disadvantages is that all the traditional machining processes involve the cooling fluid to remove the heat generated on workpiece due to friction during cutting. This paper present a new generation of ceramic cutting tool exhibiting improved properties and important advances in machining CI and CGI. The tool performance was analyzed in function of flank wear, temperature and roughness, while can be observed that main effects were found for tool wear, were abrasion to CI and inter-diffusion of constituting elements between tool and CGI, causing crater. However the difference in tool lifetime can be explained by the formation of a MnS layer on the tool surface in the case of grey CI. This layer is missing in the case of CGI.

Study of cutting forces on machinability properties of gray cast iron using new ceramics cutting tools

During gray cast iron cutting, the great rate of mechanical energy from cutting forces is converted into heat. Considerable heat is generated, principally in three areas: the shear zone, rake face and at the clearance side of the cutting edge. Excessive heat will cause undesirable high temperature in the tool which leads to softening of the tool and its accelerated wear and breakage. Nowadays the advanced ceramics are widely used in cutting tools. In this paper a composition special of Si3N4 was sintering, characterized, cut and ground to make SNGN120408 and applyed in machining gray cast iron with hardness equal 205 HB in dry cutting conditions by using digital controlled computer lathe. The tool performance was analysed in function of cutting forces, flank wear, temperature and roughness. Therefore metal removing process is carried out for three different cutting speeds (300 m/min, 600 m/min, and 800 m/min), while a cutting depth of 1 mm and a feed rate of 0.33 mm/rev are kept constant. As a result of the experiments, the lowest main cutting force, which depends on cutting speed, is obtained as 264 N at 600 m/min while the highest main cutting force is recorded as 294 N at 300 m/min.

Turning of compacted graphite iron using commercial tiN coated Si 3N4 under dry machining conditions

Due to their high hardness and wear resistance Si3N4 based ceramics are one of the most suitable cutting tool materials for machining hardened materials. Therefore, their high degree of brittleness usually leads to inconsistent results and sudden catastrophic failures. Improvement of the functional properties these tools and reduction of the ecological threats may be accomplished by employing the technology of putting down hard coatings on tools in the state-of-the-art PVD processes, mostly by improvement of the tribological contact conditions in the cutting zone and by eliminating the cutting fluids. However in this paper was used a Si3N4 based cutting tool commercial with a layer TiN coating. In this investigation, the performance of TiN coating was assessed on turning used to machine an automotive grade compacted graphite iron. As part of the study were used to characterise the performance of cutting tool, flank wear, temperature and roughness. The results showed that the layer TiN coating failed to dry compacted graphite iron under aggressive machining conditions. However, using the measurement of flank wear technique, the average tool life of was increased by VC=160 m/min.The latter was also observed using a toolmakers microscope and scanning electron microscopy (SEM).

Development of ceramic cutting tools for future application on dry machining

Advanced ceramic materials constitute a mature technology with a very broad base of current and potential applications and a growing list of material compositions. Within the advanced ceramics category, silicon nitride based ceramics are wear-resistant, corrosion-resistant and lightweight materials, and are superior to many materials with regard to stability in high-temperature environments. Because of this combination the silicon nitride ceramics have an especially high potential to resolve a wide number of machining problems in the industries. Presently the Si3N4 ceramic cutting tool inserts are developed using additives powders that are pressed and sintered in the form of a cutting tool insert at a temperature of 1850 °C using pressureless sintering. The microstructure of the material was observed and analyzed using XRD, SEM, and the mechanical response of this array microstructure was characterized for hardness Vickers and fracture toughness. The results show that Si3N4/20 wt.% (AlN and Y 2O3) gives the best balance between hardness Vickers and fracture toughness. The Si3N4/15 wt.% (AlN and Y 2O3) composition allows the production of a very fine-grained microstructure with low decreasing of the fracture toughness and increased hardness Vickers. These ceramic cutting tools present adequate characteristics for future application on dry machining. © (2010) Trans Tech Publications.