close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка технологических процессов синтеза и методов исследования керамических композиционных слоев при плазменной обработке в электролитах деталей приборов и электронной техники.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Кирикова Кира Евгеньевна
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА И
МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
СЛОЕВ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ В ЭЛЕКТРОЛИТАХ
ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ И ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Специальность
05.11.14 – Технология приборостроения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена на кафедре «Технологии производства приборов и
информационных систем управления летательных аппаратов» Федерального
государственного бюджетного учреждения высшего профессионального
образования «МАТИ - Российский государственный технологический
университет имени К.Э. Циолковского» (МАТИ).
Научный руководитель:
Борисов Анатолий Михайлович
доктор физико-математических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Овчинников Виктор Васильевич - доктор технических наук, профессор,
главный специалист ОАО «Российская
самолетостроительная
корпорация
«МиГ»
Рыжиков Илья Анатольевич -
кандидат технических наук, доцент,
зав. лаб. федерального
государственного бюджетного
учреждения науки «Институт
теоретической и прикладной
электродинамики Российской академии
наук»
Ведущая
организация:
Федеральное
государственное
автономное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Защита диссертации состоится 25 декабря 2013 года в 14 часов 00 минут
на заседании Диссертационного Совета Д212.110.01 в ФГБОУ ВПО «МАТИ Российском
государственном
технологическом
университете
имени
К.Э. Циолковского» по адресу: 109240, г. Москва, ул. Берниковская
набережная, д. 14, строение 2, аудитория 602. Отзыв на автореферат в двух
экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу:
121552, г. Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ. Факс: (495)417-89-78.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.
Автореферат разослан 23 ноября 2013 г.
Ученый секретарь
Диссертационного Совета
к.т.н., профессор
П.Н. Баранов
-3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
темы.
Научно-технический
прогресс
приводит
к
повышению требований к материалам и необходимости улучшения их
комплексных и отдельных характеристик с возможностью изменения в
широком диапазоне в соответствии с конкретными условиями эксплуатации.
Помимо разработки новых составов и композиций большое внимание уделяется
поверхностному модифицированию материалов, поскольку свойства изделия в
целом в большинстве случаев определяются характеристиками поверхности и
приповерхностного
слоя.
Особенный
интерес
вызывают
технологии
упрочняющей поверхностной обработки металлических поверхностей изделий,
позволяющие получать твердую износостойкую оксидную керамику с высокой
прочностью сцепления с основой.
Среди оксидных покрытий ведущая роль принадлежит оксиду алюминия
и композициям на его основе. Технология плазменно-электролитического
оксидирования (ПЭО) достаточно хорошо разработана для
получения
керамических покрытий на алюминиевых сплавах и от других методов
модифицирования выгодно отличается, прежде всего, высокой экологической
чистотой процесса и отсутствием необходимости тщательной предварительной
подготовки поверхности деталей.
обладают
высокой
коррозионной
Получаемые этим способом покрытия
стойкостью,
износостойкостью
и
теплостойкостью, толщиной до 500 мкм и микротвердостью до 2500 кг/мм2.
Степень разработанности темы. Несмотря на растущую популярность
метода ПЭО, его возможности исследованы и использованы еще далеко не
полностью. К настоящему времени накоплен большой практический опыт по
применению ПЭО-покрытий в различных отраслях промышленности. Однако
некоторые
свойства
керамических
ПЭО-слоев
(светотехнические
характеристики и радиационная стойкость) исследованы пока слабо. Между
тем стойкость приборов к воздействию электромагнитного излучения и
оптические свойства материалов являются важными для ряда применений.
-4
В частности, одна из актуальных проблем связана с разработкой устойчивых
терморегулирующих покрытий (ТРП) космических аппаратов (КА) и приборов,
на поверхность которых действуют электромагнитное излучение Солнца и
потоки заряженных частиц. Другая задача связана с необходимостью создания
устойчивых
покрытий
на
материалах,
используемых
в
управляемом
термоядерном синтезе с магнитным удержанием плазмы и в различных ионноплазменных устройствах и приборах.
Объект исследования — оксидные керамические слои на алюминии и
технология их синтеза при плазменной обработке в электролитах.
Целью работы является разработка технологических процессов синтеза
и
методов
исследования
обеспечивающих
керамических
радиационную,
тепловую,
композиционных
слоев,
электроизоляционную
и
механическую защиту деталей приборов из алюминиевых сплавов.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Отработать технологический режим синтеза методом ПЭО тонкого
диэлектрического слоя оксида алюминия толщиной порядка 1 мкм на
алюминиевой фольге для создания анодов электролитических конденсаторов.
2. Проанализировать
возможности
методов
ионно-рассеивательной
спектрометрии для исследования состава оксидных ПЭО-слоев.
3. Исследовать влияние воздействия ультразвуковых колебаний в
процессе
плазменно-электролитической
обработки
на
характеристики
получаемых покрытий.
4. Изучить характер отражения света от композиционных керамических
оксидных
слоев
коэффициента
и
разработать
отражения
на
методику
базе
серийного
измерения
спектрального
спектрофотометрического
оборудования.
5. Экспериментально
изучить
спектральную
отражательную
способность ПЭО-покрытий на алюминиевых сплавах и ее зависимость от
технологических параметров процесса обработки.
-5
6. Испытать
ПЭО-покрытия
на
радиационную
стойкость
при
воздействии потоков заряженных частиц и плазмы.
Методология и методы исследования. Экспериментальные данные
получены как на стандартном аналитическом оборудовании с помощью
современных методик исследования, так и при помощи разработанной в ходе
выполнения работы сравнительной методики оценки коэффициента отражения
покрытий на базе спектрофотометра СФ-46.
Научная новизна работы:
1. Проанализированы возможности методов ионно-рассеивательной
спектрометрии для исследования состава ПЭО-слоев на алюминиевых сплавах.
Для анализа тонких оксидных слоев на алюминиевой фольге рекомендовано
обратное рассеяние протонов энергии 1—1.5 МэВ, а для изучения более
толстых керамикоподобных покрытий – совместное применение методов
резерфордовского (РОР) и ядерного (ЯОР) обратного рассеяния.
2. Впервые проведены исследования светотехнических характеристик
керамических
ПЭО-покрытий.
Найдено,
что
диффузная
составляющая
отраженного света возрастает монотонно с ростом длины волны в диапазоне
340-1100 нм.
3.
Проведены
имитационные
испытания
воздействия
факторов
космического пространства на керамические ПЭО-покрытия. Показано, что они
являются более стойкими в отношении воздействия протонов на отражающие
свойства по сравнению с используемыми на практике ТРП и при этом
сохраняют высокие значения микротвердости.
Экспериментально показано,
что эрозия ПЭО-слоев под действием потока атомарного кислорода (АК)
является практически незначительной.
4. Экспериментально исследовано влияние воздействия ультразвука в
процессе ПЭО, эффект которого проявляется в утонении (на 2 мкм) ПЭО-слоя,
предположительно, за счет уменьшения пористости на начальной стадии
формирования оксидного слоя.
-6
Теоретическую значимость работы составляют:
1. Анализ возможностей методов ионно-рассеивательной спектрометрии
для исследования ПЭО-покрытий, в том числе тонких (порядка 1 мкм).
2. Результаты первых исследований стойкости ПЭО-покрытий к
воздействию факторов космического пространства: потоков атомарного
кислорода и пучков протонов.
Практическая значимость:
1. Технологический режим получения тонких ПЭО-слоев оксида
алюминия на предварительно подготовленной поверхности алюминиевых
фольг
без
изменения
их
исходной
толщины
для
создания
анодов
высокоэффективных электролитических конденсаторов.
2. Методика измерения спектрального апертурного коэффициента
отражения на базе серийного спектрофотометрического оборудования для
измерений коэффициентов пропускания, для проведения сравнительных
исследований отражательной способности непрозрачных покрытий в ближнем
УФ, оптическом и ближнем ИК диапазонах длин волн.
3.
Экспериментально
обнаруженная
стойкость
ПЭО-покрытий
к
воздействию потоков заряженных частиц и плазмы, позволяющая успешно
применять технологию ПЭО для получения диэлектрических керамических
покрытий на металлических деталях в ионно-плазменных устройствах и
приборах.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Технологический
режим
плазменно-электролитического
оксидирования в силикатно-щелочном электролите для получения тонких слоев
оксидной керамики на алюминиевых фольгах. Результаты измерений состава и
структуры
полученных
образцов
методами
ионно-рассеивательной
спектрометрии.
2. Результаты исследований влияния геометрии расположения электродов
на свойства тонких пленок на алюминиевых сплавах. Вывод о том, что
-7
увеличение расстояния между противоэлектродом и образцом приводит к
меньшему содержанию оксида в модифицированном слое.
3. Результаты ультразвукового воздействия (с частотой 22 кГц и 130 кГц)
в процессе ПЭО, влияние которого проявляется в уменьшении общей
пористости и толщины тонких (5-30 мкм) оксидных ПЭО-слоев.
4. Методика
отражения
измерения
(СКО),
спектрального
позволяющая
апертурного
проводить
коэффициента
сравнительное
изучение
отражательной способности непрозрачных композиционных покрытий в
видимом ближнем УФ, оптическом и ближнем ИК диапазонах.
5. Результаты анализа влияния технологических параметров синтеза и
факторов
космического
характеристик
пространства
покрытий,
на
полученных
изменение
на
светотехнических
алюминиевых
сплавах
оксидированием в электролитной плазме.
6. Результаты имитационных испытаний воздействия протонов с
энергией 500 кэВ и флюенсом ~ 1016 см-2 на поверхность шлифованных и
нешлифованных керамических покрытий на сплаве АМг5. Вывод о том, что
ПЭО-покрытия являются стойкими в отношении воздействия протонов на их
отражающие свойства и не теряют своей высокой микротвердости.
7.
Результаты
кислорода
со
имитационных
средней
энергией
испытаний
30 эВ
и
воздействия
эквивалентным
атомарного
флюенсом
F = 4.3·1020 ион/см2 на ПЭО-покрытия на сплавах АМг5 и Д16. Вывод о том, что
их эрозия под действием потока АК является практически незначительной по
сравнению с эрозией многих углеродных и полимерных композиционных
материалов, применяемых на внешней стороне КА.
Достоверность
полученных
результатов
обеспечивается
использованием современной аппаратуры, надежных и независимых методов
исследования, сравнением с результатами тестированных компьютерных
программ моделирования взаимодействия заряженных частиц с твердым телом,
а также сравнением полученных результатов с литературными данными,
полученными при сопоставимых условиях.
-8
Личный вклад автора заключается в самостоятельной разработке
методики и измерениях спектрального апертурного коэффициента отражения
шероховатых покрытий, исследованиях свойств ПЭО-слоев, в компьютерном
моделировании и аналитических расчетах возможностей методов РОР и ЯОР
для анализа ПЭО-слоев, разработке технологических процессов синтеза ПЭОслоев, личном участии в планировании и проведении изложенных в работе
экспериментов, исследований и обсуждении полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: XII и XV
Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов
«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2006, 2009
гг.; Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и
технологии – НМТ», Москва, МАТИ, 2006, 2008 гг.; XXXVI и XXXVII
международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с
кристаллами, Москва, 2006, 2008 гг.; XXXII – XXXV Международных
молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения», Москва, МАТИ,
2006-2009 гг.; 8-м Всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и
прикладной электронной и ионной оптики», Москва, ФГУП НПО «ОРИОН»,
2007 г.;
7-й и 10-й Всероссийской с международным участием научно-
технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия», МАТИ,
2008, 2011 гг.; Научно-технической конференции «Проблемы термоядерной
энергетики и плазменные технологии», Москва, МЭИ, 2009 г.; III и IV
Международной научно-технической конференции «Электрохимические и
электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей»,
Кострома, КГУ, 2010, 2013 гг.; X и XI Межвузовской научной школе молодых
специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике,
электронике, экологии и медицине», Москва, МГУ, 2009, 2011 гг.
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 10
публикациях, в числе которых 3 статьи в издании, указанном в Перечне ВАК,
получен 1 патент.
-9
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, заключения и списка литературных источников из 148
наименований. Материал диссертации изложен на 125 с. и содержит 61
рисунок, 11 таблиц и приложение.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель
и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая ценность
работы.
Первая глава посвящена анализу состояния вопроса, определению цели
и задач исследования. Рассмотрены различные способы получения оксидных
керамических
слоев
на
алюминиевых
сплавах
с
целью
повышения
износостойкости, коррозионной стойкости, электроизоляционных свойств,
теплостойкости изделий и др. Среди этих методов рядом преимуществ обладает
метод плазменно-электролитического оксидирования.
ПЭО — сложный
процесс электрохимического оксидирования в режиме электрического разряда,
позволяющий получать керамические композиционные слои на поверхности
вентильных металлов и сплавов.
Однако несмотря на растущую популярность метода, его возможности
исследованы и использованы еще далеко не полностью. Проведенный автором
анализ опубликованных за последнее десятилетие научных статей показал, что
в части изучения свойств ПЭО-покрытий акцент делается, прежде всего, на
исследовании механических и коррозионно-защитных свойств покрытий на
алюминиевых и магниевых сплавах; их фазового, элементного состава и
структуры; в меньшем объеме - теплофизических и электрических свойств.
Оптические свойства и радиационная стойкость ПЭО-слоев изучены пока не
достаточно.
Во
второй
главе
приводятся
описания
режимов
синтеза
и
технологических установок плазменно-электролитического оксидирования, на
которых получены образцы, а также исследовательской аппаратуры и методов
- 10
анализа. Для исследования структуры и свойств поверхностного слоя
материалов использовали как известные методы спектрометрии РОР и ЯОР,
оптической и электронной микроскопии, гониофотометрии отраженного
лазерного излучения и др., так и разработанную в процессе выполнения
диссертационной работы методику измерения СКО шероховатой поверхностью
непрозрачных покрытий, реализованную на базе серийного спектрофотометра.
Измерения спектрального апертурного коэффициента отражения ПЭОпокрытиями на сплавах Д16, АМг5, АМц и эталонами (одним из которых
служила пластина MgO, а другим — применяемое на практике ТРП ЭКОМ-1)
осуществляли для диапазона длин волн 340-1000 нм по схеме, представленной
на рисунке 1. Сконструированная зеркальная система в виде специальной
кюветы 1 в измерительной камере спектрофотометра СФ-46 состоит из
подложки с установленными на ней двумя зеркалами и держателем образцов.
Отраженный от образца под углом 45° свет вторым зеркалом возвращается к
первоначальному направлению светового пучка, проходит линзу 2 и с
помощью поворотного зеркала 3 попадает на фотоэлемент 4 или 5.
Рисунок 1 - Зеркальная приставка к спектрофотометру СФ-46 для измерения
спектрального апертурного коэффициента отражения
Третья глава посвящена разработке основ технологии получения тонких
ПЭО-слоев на алюминиевых сплавах.
Синтез тонких оксидных слоев методом ПЭО. Разрабатываемая в
МАТИ
опытная
технология
изготовления
анодов
электролитических
- 11
конденсаторов предполагает формировать на алюминиевой фольге слой оксида
алюминия толщиной 1 мкм с диэлектрической проницаемостью около 8, что
обеспечит необходимое пробойное напряжение (500 В).
Для получения тонких оксидных ПЭО-слоев на предварительно
подготовленной поверхности алюминиевых фольг (с развитой морфологией и
нанесенным слоем Al2O3) практически без изменения их исходной толщины
установлен следующий режим синтеза: ПЭО в течение трех минут в СЩЭ (1,5
г/л NaOH + 9 г/л Na2O·nSiO2) при плотности тока 5 А/дм2 в анодно-катодном
режиме при равном соотношении анодного и катодного токов (Ik / Ia = 1).
Дополнительно
проведено
изучение
степени
влияния
некоторых
технологических параметров процесса ПЭО (таких как местоположение
образца относительно противоэлектрода и длительности обработки) на состав и
структуру модифицированных слоев на алюминиевых фольгах. На рисунке 2
представлены рассчитанные по спектрам РОР протонов энергии 1 МэВ
концентрационные профили кислорода в образцах. Покрытия состоят из двух
слоев: наружного 100% оксидного слоя Al2O3 и переходного слоя с
постепенным убыванием оксида по глубине.
а — время обработки - 2 мин (образцы №1 и 2)
б — время обработки - 4 мин (образцы №3 и 4)
пунктир — положение образцов — ближний электрод (образцы №1 и 3)
сплошная линия — положение образцов — дальний электрод (образцы №2 и 4)
Рисунок 2 - Концентрационные профили распределения кислорода в образцах
- 12
Найдено, что при увеличении времени плазменно-электролитической
обработки образцов с 2 до 4 минут общая толщина модифицированного слоя
увеличивается более чем в два раза. При этом толщина полностью оксидного
слоя возрастает на ~30%, а уменьшение концентрации кислорода по глубине
происходит более плавно. Непродолжительное время обработки соответствует
начальной стадии ПЭО с активным ростом массы и толщины покрытия, причем
оно растет внутрь и наружу одновременно. На этом этапе геометрия
эксперимента оказывает гораздо меньшее влияние на процесс оксидирования.
Однако увеличение расстояния между противоэлектродом и образцом приводит
к меньшему содержанию оксида в модифицированном слое.
Методы ионно-рассеивательной спектрометрии успешно применяются
для качественного и количественного исследования состава ПЭО-слоев в
совместных работах МАТИ и НИИЯФ МГУ. Глубина анализа методом РОР
альфа-частиц энергии 1 МэВ для оксида алюминия составляет около 2 мкм,
методом ЯОР — около 100 мкм. Использование обоих методов позволяет
сочетать высокое разрешение по глубине спектрометрии РОР и повышенную
чувствительность к кислороду спектрометрии ЯОР при значительно большей,
чем у спектрометрии РОР, общей глубине анализа.
Проведенный анализ экспериментальных энергетических спектров и
моделирование с помощью программы NBS показали, что метод ЯОР протонов
энергии 7.6 МэВ по отношению к тонким пленкам на алюминиевой фольге не
обеспечивает необходимого разрешения по глубине и потому не пригоден для
точного измерения толщины тонких слоев в покрытии. Эта задача решается при
применении РОР протонов энергии 1 МэВ, а ЯОР протонов энергии 7.6 МэВ
может применяться для контроля толщины образцов фольги до и после
процесса оксидирования.
Изучение влияния ультразвука в процессе оксидирования на
свойства тонких ПЭО-слоев инициировано известными из литературы
успехами по интенсификации с его помощью всевозможных химикотехнологических процессов, в том числе и гальванических. Ультразвуковые
- 13
волны ускоряют протекание диффузии, окисления, электроосаждения и многих
других процессов; покрытия приобретают мелкокристаллическую структуру,
уменьшаются их пористость и общая толщина.
Для тонких ПЭО-слоев (5 – 30 мкм) на сплаве Д16 найдено, что
ультразвуковое воздействие с частотой 130 кГц приводит к уменьшению
толщины покрытий в среднем на 2 микрометра. При этом рентгеновская
толщина покрытий (не отражающая пористости в структуре покрытия и
измеренная по ширине пика кислорода на спектрах ЯОР, см. рисунок 3)
практически не изменяется, а количество кислорода (оцененное по площади
пика
в
спектре)
оказывается
меньшим
в
образцах,
прошедших
комбинированную обработку. Предполагается, что эти явления связаны с
уменьшением пористости на начальной стадии формирования оксидного слоя.
Рисунок 3 - Спектры ЯОР протонов энергии 7.6 МэВ. ПЭО сплава Д16 в СЩЭ
в течение 20 минут
- 14
В четвертой главе представлены результаты изучения спектральной
отражательной способности ПЭО-покрытий и имитационных испытаний на
стойкость к воздействию отдельных факторов космического пространства.
Светотехнические
свойства
керамических
ПЭО-слоев
на
алюминиевых сплавах оценивали с помощью разработанной методики
измерения спектрального апертурного коэффициента отражения. Установлено,
что у применяемого на практике ТРП ЭКОМ-1 в коротковолновой области
проявляется минимум при длинах волн 340-390 нм. ПЭО-слои имеют меньшие
СКО, чем ЭКОМ-1, однако сохраняют свои отражательные свойства во всем
оптическом диапазоне. Коэффициент отражения изученных в ходе работы
ПЭО-покрытий варьируется от 5 до 40 % в зависимости от сплава-основы и
режимов обработки. Самый высокий коэффициент отражения показало
керамическое покрытие на сплаве АМг5, обработанном в электролите
2 г/л NaOH + 7 г/л Na2O·nSiO2 в течение 3 часов.
Экспериментально продемонстрирована пригодность разработанной
методики для качественной и количественной оценки влияния параметров
ПЭО-синтеза на светотехнические характеристики получаемых образцов.
Числовое значение коэффициента отражения получали усреднением по
горизонтальному участку кривой СКО (в интервале длин волн от 400 до
650 нм). Абсолютную отражательную характеристику исследуемых образцов
приблизительно оценивали относительно ЭКОМ-1, учитывая коэффициент
отражения солнечного излучения лакокрасочным покрытием ЭКОМ-1 порядка
60%.
На рисунке 4 приведены СКО образцов ПЭО-покрытия на сплаве АМг5,
рассчитанные относительно эталона MgO.
- 15
Рисунок 4 - Спектральные коэффициенты отражения ПЭО-покрытий на сплаве
АМг5 относительно MgO
Видно, что в целом СКО плавно возрастает с увеличением длины волны.
Более длительная обработка при одновременном снижении общей плотности
тока привела не только к уменьшению общей толщины покрытия, но и к
ухудшению его отражательных характеристик (образцы 2 и 3 на рисунке 4).
Также образец, полученный при меньшей концентрации NaOH в электролите
при прочих одинаковых параметрах обработки, показал меньшее отражение
(образцы 1 и 2).
Аналогичным
образом
проведено
исследование
влияния
состава
электролита на отражающую способность ПЭО-покрытий на сплаве АМц
(рисунки 5, 6), полученных при изменении концентрации гидроксида калия в
пределах 1-3 г/л (1, 2 и 3 г/л), а жидкого стекла — в пределах от 6 до 12 г/л (6, 9
и 12 г/л) — что нашло отражение в маркировке образцов серии.
- 16
Обнаружено, что наибольший коэффициент отражения в видимом
диапазоне (βs = 0.34) имеет образец, обработанный в электролите 2 г/л КОН +
+9 г/л Na2O·nSiO2. Согласно литературным данным, этот электролит является
оптимальным
для
получения
покрытий
максимальной
твердости
и
минимальной пористости при невысокой общей толщине и хорошем
соотношении толщины внутреннего твердого слоя к общей толщине покрытия.
Рисунок 5 - СКО образцов ПЭО-покрытий на сплаве АМц, рассчитанные
относительно ЭКОМ-1
- 17
Рисунок 6 - Зависимость СКО, измеренного относительно MgO, от состава
электролита
Имитационные испытания воздействия факторов космического
пространства на морфологию, микротвердость и отражательные свойства
ПЭО-покрытий изучали для условий длительного воздействия потоками
атомарного кислорода и протонов.
Облучение потоком АК со средней энергией 30 эВ проводили на
имитационном
стенде
НИИЯФ
МГУ
с
магнитоплазмодинамическим
ускорителем кислородной плазмы. Эквивалентный флюенс в описываемых
экспериментах
составлял
4.3 1020
ион/см2
(соответствует
фактическому
флюенсу F = 0.72·1020 ион/см2.)
На основе данных о потере веса образцами после облучения оценен
коэффициент распыления ПЭО-покрытий. Коэффициенты распыления для
образцов покрытий на сплавах Д16 и АМг5, рассчитанные для Al2O3,
приблизительно одного порядка величины и составляют 0.05 ат/ат.кислорода.
Проведенное в программе SRIM моделирование распыления
-Al2O3
атомами кислорода с энергиями 20 – 50 эВ показало, что оно может быть
обусловлено физическим, столкновительным механизмом распыления твердых
тел при бомбардировке быстрыми частицами. С эрозией поверхности связан
небольшой (Δ = 0.02) эффект отбеливания материалов при облучении АК.
- 18
Эрозия керамических ПЭО-слоев является практически незначительной по
сравнению с эрозией ЭКОМ-1 и многих углеродных и полимерных
композиционных материалов, применяемых на внешней стороне КА.
Имитационное облучение пучком протонов энергии 500 кэВ с флюенсом
1016 ион/см2 при плотности потока 6 1012 ион/с см2 проводили на каскадном
генераторе КГ-500 НИИЯФ МГУ. Протоны можно считать основным
фактором, приводящим к глубинным повреждениям в процессе эксплуатации
КА, поэтому в первую очередь они используются при исследовании
радиационных процессов и определении стойкости ТРП.
Сильное радиационное воздействие протонов на терморегулирующие
белые
эмали
приводит
к
увеличению
коэффициента
поглощения
(окрашиванию). Под воздействием потоков заряженных частиц происходит
изменение структуры и состава покрытия. При этом изменение рельефа
приводит к изменению только зеркальной составляющей, а изменение
структуры и состава вещества в поверхностном слое – к изменению как
зеркальной, так и диффузной составляющих зондирующего излучения,
отраженного поверхностью.
Данные, полученные при облучении образцов протонами, приведены на
рисунках 7, 8. Диффузная составляющая отраженного от шероховатых
поверхностей света приобрела практически линейную зависимость от длины
волны (плавное возрастание с увеличением λ). Для шлифованных образцов
изменения характера кривой не наблюдалось.
В
целом
облученных
отмечено
протонами
существенное
материалов,
потемнение
однако
поверхности
ПЭО-покрытия
всех
являются
существенно более стойкими в отношении воздействия протонов на их
отражающие
свойства
терморегулирующим
по
сравнению
покрытием
с
используемым
ЭКОМ-1.
Данные
на
практике
рентгеновского
дифракционного анализа говорят о практическом отсутствии влияния
облучения протонами на структурно-фазовый состав ПЭО-керамики.
- 19
Рисунок 7- Отражение света нешлифованными ПЭО-слоями
Рисунок 8 - Изменение СКО покрытия ЭКОМ-1 при протонном облучении
- 20
Оценка глубины модифицирования ПЭО-покрытий протонами проведена
с помощью компьютерной программы SRIM. Глубина пробега протонов с
энергией 500 кэВ, рассчитанная для мишени, состоящей из α-Al2O3 составляет
Rp= 3.5 мкм с разбросом ΔRp = 0.2 мкм.
Результаты
измерений
микротвердости
говорят
о
практическом
отсутствии влияния облучения протонами на микротвердость ПЭО-слоев,
высокие
значения
которой
являются
одним
из
преимуществ
этих
композиционных керамических материалов.
Пятая
глава
посвящена
модификации
анода
высокочастотного
источника ионов и демонстрации пригодности применения ПЭО-покрытий в
ионно-плазменных приборах.
Для
снижения
минимизировать
поверхности.
В
рекомбинации
площадь
качестве
в
колбе
соприкасающейся
альтернативы
с
источника
плазмой
применению
необходимо
металлической
в
этих
целях
недолговечных пирексовых или слюдяных шайб, которыми прикрывают
металл, предложено наносить на изготовленный из алюминиевого сплава Д16
анод керамическое изолирующее ПЭО-покрытие. Его формировали только на
верхней части анода, соприкасающейся с плазмой в колбе, оставляя на границе
эмиссионного отверстия в центре анода зазор шириной от 0.5 до 1 мм. ПЭО
проводили 3.5 часа в электролите (1,5 г/л NaOH + 9 г/л Na2O·nSiO2) при
плотности тока 10 А/дм2 и Ik/Ia=1. Исходя из срока службы до 10000 часов
рекомендуется толщина диэлектрического слоя не менее 100 мкм.
Опытный образец ионного источника с описанной системой вытягивания
внедрен и с 2007 года успешно эксплуатируется на ускорителе ЭГ-8 НИИЯФ
МГУ. Изготовленный по предложенной технологии анод обеспечивает
идеальную фокусировку пучка благодаря металлической границе эмиссионного
отверстия при хорошем массовом составе пучка ионов, что говорит о малом
коэффициенте рекомбинации в колбе ионного источника. На разработанную
полезную модель получен патент (RU №88208 U1).
В заключении подведены основные итоги диссертационной работы.
- 21
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Отработана технология получения методом ПЭО тонких (1-2 мкм)
модифицированных слоев на алюминиевой фольге для создания анодов
электролитических конденсаторов. Проанализированы возможности методов
ионно-рассеивательной спектрометрии для анализа тонких оксидных ПЭОслоев на алюминиевых сплавах, среди которых выбран метод РОР протонов
энергии 1 МэВ.
2. Проведено изучение влияния параметров процесса ПЭО на состав и
структуру тонких модифицированных слоев на алюминиевых фольгах.
Найдено, что на начальной стадии процесса оксидирования длительность
процесса является основным фактором, отвечающим за толщину покрытия, а
увеличение расстояния между противоэлектродом и образцом приводит к
меньшему содержанию оксида в модифицированном слое.
3. Эксперименты по изучению влияния воздействия ультразвуковых волн
на процесс ПЭО показали, что воздействие УЗ колебаний вызывает
уменьшение пористости на начальной стадии формирования оксидного слоя и
как следствие, приводит к снижению общей толщины покрытия на 1-2 мкм, что
для тонких ПЭО-слоев составляет значительную величину.
4.
На
базе
серийного
спектрофотометрического
оборудования,
предназначенного для измерений коэффициентов пропускания, разработана
методика измерения спектрального апертурного коэффициента отражения для
проведения
сравнительных
исследований
отражательной
способности
непрозрачных покрытий в ближнем УФ, оптическом и ближнем ИК-диапазоне.
5. Разработанная методика измерения спектрального апертурного
коэффициента
отражения
применена
плазменно-электролитического
для
оценки
оксидирования
на
влияния
параметров
светотехнические
характеристики получаемых образцов. Найдено, что увеличение длительности
процесса при одновременном снижении общей плотности тока приводит не
только к уменьшению общей толщины ПЭО-слоя на сплаве АМг5, но и к
ухудшению его отражательных характеристик.
- 22
Исследовано влияние состава электролита на отражающую способность
ПЭО-покрытий на сплаве АМц. Найдено, что наибольший спектральный
коэффициент отражения в серии (βs = 0.34) имеет образец, обработанный в
электролите 2 г/л КОН + 9 г/л Na2O·nSiO2, являющемся оптимальным с точки
зрения сочетания максимальной твердости и минимальной пористости
покрытия при невысокой общей толщине и хорошем соотношении толщины
внутреннего твердого слоя к общей толщине покрытия.
6.
Проведены
имитационные
испытания
воздействия
факторов
космического пространства на керамические слои, полученные методом ПЭО.
Обнаружено, что ПЭО-покрытия являются более стойкими в отношении
воздействия протонов на их отражающие свойства по сравнению с
используемыми на практике терморегулирующими покрытиями и при этом
сохраняют высокие значения микротвердости. Эрозия композиционных ПЭОслоев под действием потока АК является незначительной по сравнению с
применяемыми на практике защитными покрытиями КА. Коэффициент
распыления атомарным кислородом составляет порядка 0.05 ат/ат.кислорода.
Наблюдается незначительный эффект отбеливания.
7.
Разработан
и
внедрен
на
ускорителе
ЭГ-8
НИИЯФ
МГУ
модифицированный анод для высокочастотного источника ионов. Таким
образом, на практике установлено, что ПЭО-покрытия обладают низким
коэффициентом
рекомбинации
плазмы,
высокой
термостойкостью
и
радиационной стойкостью при воздействии на них заряженных частиц.
Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в
следующих публикациях:
I. Журналы из списка ВАК
1.
Борисов, А.М. Применение спектрометрии обратного рассеяния для
исследования
А.М. Борисов,
микродугового
оксидирования
В.Г. Востриков,
конденсаторной
К.Е. Кирикова,
фольги
/
В.С. Куликаускас,
- 23
Е.А. Романовский, М.В. Серков, А.С. Узбяков, А.В. Эпельфельд // Физика и
химия обработки материалов, № 2, 2007. — С. 46-49.
2.
покрытий
Борисов, А.М. Светотехнические свойства керамикоподобных
на
алюминиевых
сплавах
/
А.М. Борисов,
К.Е. Кирикова,
И.В. Суминов // Физика и химия обработки материалов, № 2, 2011. — С.18-25.
3.
Борисов, А.М. Моделирование воздействия факторов космического
пространства на композиционные керамические слои на алюминиевых сплавах
/ А.М. Борисов, Л.А. Жиляков, К.Е. Кирикова, Л.С. Новиков, В.Н. Черник //
Физика и химия обработки материалов, № 5, 2012. — С. 27-30.
II. Патенты
4. Патент на полезную модель RU №88208 U1. Анод высокочастотного
источника ионов / А.М. Борисов, В.А. Васин, О.Б. Дзагуров, К.Е. Кирикова,
А.Б. Коршунов,
Б.Л. Крит,
В.Б. Людин,
И.В. Суминов,
А.В. Эпельфельд,
В.А. Сорокин, В.П. Францкевич, М.Д. Граменицкий, О.В. Сомов // Опубл. в
Бюл. №30 от 27.10.2009.
III. Прочие работы
5. Кирикова, К.Е. Методы исследования тонких оксидных пленок на
алюминиевой фольге / К.Е. Кирикова, А.М. Борисов, Б.Л. Крит // XXXII
Гагаринские чтения. Научные труды Межд. молодежной научной конф.
Москва, 4-8 апреля 2006 г. М.: МАТИ, 2006. — Том 3. 119 с. — С.94-99.
6. Авилкина, В.С. Гониофотометрический анализ покрытий, получаемых
с помощью микродугового оксидирования / В.С. Авилкина, К.Е. Кирикова,
А.М. Борисов // XXXIII
Гагаринские
чтения.
Научные
труды
Межд.
молодежной научной конференции в 8 томах. Москва, 3-7 апреля 2007 г. — М.:
МАТИ, 2007. — Т. 3. — С.85-87.
7.
Борисов,
алюминиевых
А.М.
фольгах
В.С. Куликаускас,
Электрохимические
Исследования
/
МДО-покрытий
А.М. Борисов, В.Г. Востриков,
Е.А. Романовский,
и
структуры
М.В. Серков,
электролитно-плазменные
К.Е. Кирикова,
А.В. Эпельфельд
методы
на
//
модификации
металлических поверхностей. Материалы II Межд. научно-техн. конф.
- 24
Кострома 24-27 сент. 2007г. - Кострома: КГУ им.Н.А.Некрасова.— М.: ИЦ
"МАТИ"-РГТУ им. К.Э.Циолковского, 2007. — С.258-260.
8.
Кирикова,
К.Е.
Исследование
воздействия
ультразвука
на
формирование МДО-покрытий / К.Е. Кирикова, А.В. Семашко А.В. // XXXIV
Гагаринские чтения. Научные труды Межд. молодежной научной конференции
в 8 томах. Москва, 1-5 апреля 2008г. — М.: МАТИ, 2008. — Т. 3. — С.155-156.
9.
Кирикова,
К.Е.
Исследование
оптических
свойств
покрытий,
получаемых микродуговым оксидированием / К.Е. Кирикова, А.М. Борисов //
XXXV Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной
научной конференции в 8 томах. Москва, 7-10 апреля 2009г. — М.: МАТИ,
2009. — Т. 3. — С.97-99.
10. Борисов, А.М. Измерение спектрального коэффициента отражения
МДО-покрытий на алюминиевых сплавах / А.М. Борисов, К.Е. Кирикова,
И.В. Суминов
//
Труды
X
Межвузовской
научной
школы
молодых
специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике,
электронике, экологии и медицине» — М.: МГУ, 2009. — С.248-253.
- 25
Подписано в печать: 21.11.2013
Объем: 1,3 усл.п.л.
Тираж: 100 экз. Заказ № 935
Отпечатано в типографии «Реглет»
107031, г.Москва, ул. Рождественка , д.5/7, стр. 1
(495) 623 93 06 www.reglet.ru
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа