Введение к работе
Актуальность темы. Многослойные структуры "металл-диэлектрик" являются основой многих электронных, электротехнических и других устройств .
Соединение большого числа плоских металлически < поверхностей в многослойные структуры, способные длительное врем» работать в широком диапазоне температур, в условиях нагружения, предъявляют жесткие требования к выбору материала диэлектрика н способа соединения пластин. От этих факторов практически зависит работоспособность и технология изготовления многослойной структуры в целом.
Одним иэ перспективных применений металлодиэлектрических структур «в-ляется создание магннтопроводоа электрических машин. Пластинчатые магннго-проводы являются основными узлами многих эле.сгротехнических устройств. Высокая проницаемость, низкие коэрцитивная сила, остаточная шедукшн, а также уровень потерь от вихревых токов в пластинчатых магнитопроводах обеспечили их широкое применение в электрических машинах, устройствах и аппаратах переменного тока.
На современном этапе одной иэ важнейших проблем злекіротехнической промышленности является обеспечение качества и надежности электрических машин, устройств и аппаратов, работающих в перемениом токе на частоте 4О0Гц при высоких эксплуатационных нагрузках. Надежность таких устройств во многом зависит от качества изготовления основного узла - магяитоировода.
Несмотря ка большое разнообразие форм и размеров, конструктивно все пластинчатые магнитолроводы состоят иэ пластин мапштомягкнх металлов н диэлектрических слоев, исключающих возможность электрическое контакти между металлическими пластинами. Таким образом, пакет магнитонровода п; ь.чеім-ляет собой многослойную структуру, состоящую иэ чередующихся cfoi'4 "четалл-диэлектрик", т.е. материалов, обладающих отличающимися показателями различных физико-механических свойств.
Формирование многослойных металладішектрических структур на основе
ИСПОЛЬЗуемЫХ В современных Технологиях органических ДНЭЛСКТрИКОО ПриИОЛИТ к
возникновению факторов, отрицательно вл"чощих на магнитные ceotlctaa гогеь
вого изделия. Кроме того, необходимо учитывать фактор старения органических материалов и низкую температуроустойчивость этих структур. В связи с этим возникает необходимость исследования влияния этих факторов на магнитные свойства магнитопроводов и поиск новых технологий при замене органических материалов иа неорганические.
Получить механически прочное соединение металла с диэлектриком при использовании диэлектрических материалов, применяемых в настоящее время в производстве магнитопроводов, невозможно.
Проблема достижения требуемой совокупности магнитных и механических свойств многослойных структур "металл-диэлектрик" в производстве магнитопроводов в настоящее время является нерешенной.
Другим не менее важным применением многослойных структур "мсталл-димектрнк" является создание иа их основе высокоэффективных, надежных, компактных матричных теплообменников.
Повышение эффективности и снижение стоимости многих виды лазеров в значительной степени зависит от эффективности и качественных характеристик теплообменных аппаратов, используемых в их конструкции,
Болта* тво промышленных лазеров, выделяющих мощность более 250 Вт, и некоторые лазеры, выделяющие около I Вт, для долговечной и надежной эксплуатации требуют водяного охлаждения.
Создано иного различных видов теплообменных аппаратов. Однако особенности конструкций матричных теплообменников, в которых сочетаются такие преимущества, как компактность н работоспособность при высоких давлениях, дают все основания отнести их к новому типу теплообменных аппаратов.
Наряду с указанными преимуществами, следует отметить их высокие тепловые и гидродинамические характеристики, возможность автоматизации и унификации прситодства, основанную на применении однотипных элементов. Кон-сгруьттано матричный теплообменник представляет собой сложное устройство, сосгоашсс из метал, шческих, перфорированных пластин, обладающих высокой К1Чощч>водностък;, соединенных между собой диэлектрическими слоями. Технология Создания матричных теплообменников должна обеспечить соединение большого числа (ДХМЮО) металлических пластин, а также гарантировать тепло-іго-імдооитіі эффе*т * направлении движения потоков теплоносителей.
Одним иі путей решения этих сложных технологических задач является применение стекловидных диэлектриков с комплексом заданных свойств. Среди большого класса диэлектрических материалов многокомпонентные стекловидные диэлектрики занимают особое место, благодаря своим уникальным свойствам. Стекловидные материалы обладают высокими диэлектрическими параметрами, хорошими технологическими свойствами, а за счет целенаправленного изменения их состава можно обеспечить комплекс заранее заданных химических, механических и электрофизических свойств, Разработанные в настоящее время составы стекловидных диэлектриков не отвечают специфическим требованиям, предъявляемым к неорганическим материалам для создания многослойных структур матричных теплообменников н пластинчатых мапттопроводов.
Анализ патентной и научно-технической литературы показывает, что одним т перспективных методов получения многослойных структур "металл-диэлектрик" является диффузионная сварка. Однако, создание высоконадежных многослойных структур магнитопроводов и матричных теплообменников требует постановки дополнительных исследований процессов физико-химического взаимодействия металлов с многокомпонентными стекловидными диэлектриками в условиях диффузионно;! сварки, а также изучения совместимости материалов и технологических процессов изготовления и эксплуатации приборов.
В связи с вышеизложенным, разработка диэлектрических материалов, отвечающих комплексу требований к многослойным структурам "металл-диэлектрик" в составе пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников; разработка принципиально нового технологического процесса создания многослойных структур с высокими показателями механической прочности, уровня магнитных свойств, максимально приближенным к свойствам базового материала, и улучшенными показателями эксплуатационных характеристик представляют значительный интерес и определяют актуальность настоящей работы.
Цель н задачи исследования. Цель данной диссертационной рабе і ы ''їх Алла в разработке и исследование свойств стекловидных диэлектриков дл» создания многослойных структур; разработке технологии получения многослойных структур "металл-диэлектрик"; комплексном исследовании влияния технологических параметров диффузионной сварки на свойства многослойных структур и совместимости разработанных материалов и режим ч их формирования с материалами и
технологией изготовления пластинчатых магнитопроводов н матричных теплообменников.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
определить факторы, влияющие на свойства многослойных структур магнй-
топроводов и матричных теплообменников;
. обосновать выбор систем синтеза стекловидных диэлектриков для многослойных структур пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников; разработать составы стекол для создания многослойных структур пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников;
- разработать технологию получения многослойных структур "металл-
диэлехтрик" методом диффузионной сварки;
- исследовать влияние технологических параметров диффузионной сварки на
свойства многослойных структур;
исследовать процессы физико-химического взаимодействия при формировании многослойных структур "металл-диэлектрик" методом диффузионной сварки;
исслед ать совместимость разработанных материалов н режимов формирования многослойных структур с материалами и технологией изготовления пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников.
Научная новизна работы.
О Впервые разработаны основы получения многослойных металл о диэлектрических структур с применением многокомпонентных стекловидных диэлектриков.
С Научно обоснована замена органических материалов на неорганические стекловидные диэлектрики при создании многослойных металлодиэлектрических структур пластинчатых магнитопроводов и матричных теплообменников.
« Проведены систематические исследования изменения структуры в процессе кристаллизации стекол системы BaO-AWj-BiOj-SiOi. Установлено значительное влияние на кинетику кристаллизации стекол и порядок выделения фаз малых добавок, режимов кристаллизации и выявлены условия выделения кристаллических фаз для получения ситаллоцементов с заданными свойствами. На основании проведенных исследований р.пработан ситаллоцемент марки ТС-1, отвечающий комплексу
требований к материалам для создания многослойных структур в составе пластинчатых мштштопроводов.
4 Проведены систематические исследования влияния добавок оксидов металлов на физические и химические свойства стекол систем РЬО-ВгОз-SiOi и РЬО-BrOj-ZnO. Показано, что только совместное введение в состав стекла добавок СиО, МпО, OaiOi, VtOs дает максимальный эффект повышения растекаемости и адгезии стекла к алюминию и меди. В результате проведенных систематических исследований кристаллизационной способности, термического расширения, растекаемости, адгезии, диэлектрических свойств легкоплавких стекол синтезированы составы стекол AL-б и ПЧ-б, отвечающие комплексу требований для создания многослойных структур на алюминиевом сплаве АД1 и меди при производегве матричных теплообменников. На состав ПЧ-6 получен патент Российской федерации.
О Предложен И научно обоснован механизм взаимодействия ситаллоцемента ТС-1 и стали марки 1521 при создании многослойных структур "металл-диэлектрик". Методом мшфорентгеноспектрального анализа установлено, что граница раздела сформирована за счет образования новой фазы желеэомагниевой шпинели, которая обеспечивает прочное соединение разнородных материалов. Исследование влияния технологических параметров диффузионной сварки на меха, ническне и магнитные свойства многослойных структур "металл-диэлектрик" позволили определить оптимальные режимы формирования пакетов магнитопрово-дов, обеспечивающие высокое качество соединения с оптимальной прочностью и минимальным уровнем остаточных напряжений. Впервые проведены исследования совместимости разработанных материалов и технологических режимов с технологией изготовления пластинчатых магнитопроводов. Установлено, что разработанные материалы позволяют повысить магнитные характеристики магнитопроводов, снизить удельные магнитные потери и позволяют эксплуатировать полученные изделия в экстремальных режимах.
О Предложены модели физико-химического взаимодействия анИ'Мінин со стеклом AL-6, объясняющие механизм структурообраэования в переходной зоне.
ф Исследовано влияние технологических параметров диффузионной сварки на тепловые и механические свойства многослойных структур "алюминий- стекло". Определены оптимальные режимы диффузионной сварки. Впервые проведено исследование функциональной совместимо -и материалов и технологических ре-
жимов формирования многослойных структур "алюминий-стекло'' с режимами формирования и эксплуатации матричных теплообменников.
Практическая ценность работы:
Ф Разработан и исследован состав ситаллоцемента для получения многослойных структур "металл-диэлектрик". Разработанный материал позволяет изготавливать многослойные структуры на основе электротехнической стали для создания пластинчатых магнитопроводов электрических машин, устройств и аппаратов переменного тока, устойчивые к воздействию влаги и многократных термических обработок.
О Разработаны и исследованы составы легкоплавких стекол для получения покрытий на алюминии и меди, а также для создания многослойных структур матричных теплообменников. На основе разработанного стекла ПЧ-б (патент РФ № 2081069) на предприятии "СИЕТ-М" изготовлена опытная партия диэлектрических паст дія защиты резисторов на основе соединений рутения.
0 Испытания опытной партии микросхем, содержащих резистивную схему с резисторами серии ПТР, показали, что уход номинала резистора при вжигании защитного ел составляет I -2 %, дрейф после подгонки не превышает 0,1 %. Стекло рекомендовано к внедрению в технологии толстопленочных микросхем.
0 Организовано опытное производство стекол марки ТС-1, AL-б и ПЧ-6.
0 Разработаны технологические режимы диффузионной сварки, обеспечивающие высокое качество соединенна пластин в многослойные металлодиэлектри-ческие структуры с оптимальной прочностью.
