Введение к работе
Актуальность темы. Ускорение научно-технического прогресса в
различных отраслях промышленности во многом определяется успешным освоением современных электротехнологических процессов, в частности, плазменного напыления порошковых покрытий, широко внедренного в производство электровакуумных приборов (ЭВП) для получения эмиссионных, антиэмиссионных, геттерных и полифункциональных слоев. Например, титановое порошковое покрытие, нанесенное на сетку мошной генераторной лампы (МГЛ) для снижения динатронного эффекта, является и эффективным высокотемпературным геттером. Электроплазменное напыление таких порошков имеет ряд преимуществ по сравнению с устаревшими технологиями намазки, пульверизации, электрофореза, поскольку не требует применения химических реактивов и отжига в вакуумных или водородных печах.
Обширные исследования технологических и физико-химических аспектов процессов плазменного напыления порошков, выполненные в работах Н.Н. Рыкалина, В.В. Кудинова, В.Н. Лясникова, А.А. Курдюмова, Ю.А. Харламова и других отечественных и зарубежных ученых,показали относительную простоту устройства плазмотронов, возможность управления газодинамическими и физическими свойствами порошково-плазменной струи в контролируемой среде с получением покрытий, обладающих программируемыми функциональными и эксплуатационными свойствами. Вместе с тем, многие из проведенных разработок выполнялись для решения частных задач и реализовывались без широкого использования средств автоматизации измерений характеристик плазмонапылен-ных покрытий и обработки результатов, не содержали детального анализа происходящих физико-химических процессов, необходимого для построения математических моделей их протекания и многопараметрической оптимизации. Это в значительной степени затрудняло расширение функционального использования плазмонапыленных покрытий, разработку и внедрение гибких производственных модулей (ГПМ), реализующий оптимизированные технологии электроплазменной обработки материалов в производстве ЭВП.
Цель работы заключалась в повышении эксплуатационных характеристик ЭВП на основе оптимизации технологии электроплазменного напыления пористо-порошковых геттерных и эмиссионных покрытий и уточнения физико-химической и математической модели процессов сорбции и десорбции сверхвысоковакуумных остаточных газов в них.
Методы и средства исследований включали теоретический анализ сорбции сверхвысоковакуумных (СВВ) остаточных газов пористой плаз-
РОСНАЦИОНАЛЬНАЯ і 3
монапыленной слоистой системой. Основной объем экспериментов производился на специально разработанном и созданном гибком сверхвысокова-куумном комплексе (ГСВВК) с помощью термодесорбционной масс-спектроскопии (ТДС) и динамического метода сорбции (ДМС). Кроме этого, применялись электронная микроскопия, интерференционная профило-метрия, адгезиометрия, порометрия, импульсный потенциостатический метод измерения удельной поверхности.
- Научная новизна работы заключается в следующем:
. - определена оптимальная структурная схема гибкого сверхвысоко-вакуумного комплекса, содержащая СВВ-систему с возможностью транспорта объекта исследований, реализации различных тестовых воздействий с контролем состояния газовакуумной среды и информационно-управляющую систему (ИУС) с автоматизированным управлением измерениями, регистрацией, обработкой результатов и документированием получаемой информации;
-проведена двухпараметрическая оптимизация плазмонапыленных титановых геттерных покрытий по их пористости и адгезии как функций дистанции напыления и дисперсности титановых частиц при силе тока плазменной дуги 450 А, позволившей получить компромиссно-оптимальные значения средней пористости 45-65% и адгезии 15-19 МПа при дистанции напыления 120 мм и диаметре титановых частиц 80-120 мкм;
-методами ТДС и ДМС на ГСВВК изучены сорбционно-десорбционные характеристики плазмонапыленных титановых покрытий и обнаружено, что основными компонентами выделяющегося газа являются водород, метан, моно- и диоксид углерода, причем выделение водорода превалирует и его кривые ТДС имеют максимумы при 700 и 920 К, которые обусловлены твердофазной диффузией водорода с коэффициентами диффузии 4,1 10' - 1,1-Ю8 см2/с при энергии активации 5 кДж/моль и хе-мосорбцией водорода с коэффициентами диффузии 2,2-10-8 - 9,6-107см2/с при энергии активации 69 кДж/моль, а максимальные сорбционно-десорбционные характеристики обеспечивает активировка при 1100 К из-за микрорастрескивания покрытия вследствие большого мольного объема гидридов титана по правилу Пиллинга-Бедуорта;
- методом ДМС на ГСВВК исследованы сорбционные характеристики ленточных плазмонапыленных титановых геттеров по отношению к главным остаточным газам ЭВП и МГЛ - азоту и водороду с обнаружением двух участков быстрого и медленного экспоненциального спада кинетических кривых со временем, отвечающих константам сорбционного равновесия 42,3 и 902 при энтальпиях сорбции - 21,8 и - 39,6 кДж/моль с сорбционной емкостью до 0,48 л-Па/см2 - для сорбции азота, а также константам сорбционного равновесия 3,5 и 1,9 при энтальпиях сорбции - 4,7 и
- 1,9кДж/моль с сорбционной емкостью до 7,45 л-Па/см2 - для сорбции водорода. При этом первые участки кинетических кривых отвечают почти обратимой сорбции остаточного азота и водорода в приповерхностных слоях титанового геттера, а вторые - хемосорбции азота с образованием нитридных фаз и хемосорбции водорода с образованием гидридных фаз и глубинным микрорастрескиванием геттерного покрытия;
- методом ТДС на ГСВВК было установлено, что плазмонапыленное
порошковое покрытие из тройного Ва, Sr, Си карбоната обладает более
высокой устойчивостью и хорошо сформированной структурой по сравне
нию с пульверизационным покрытием в условиях активировки при энер
гии активации десорбции оксидов углерода 125 и 172 кДж/моль, соответ
ственно.
Практическая ценность и реализация работы.
На основании выполненных исследований разработаны технологические режимы электроплазменного напыления геттерных и эмиссионных покрытий, внедренные в серийное производство ЭВП.
При этом:
-разработан и создан ГСВВК для исследования сорбционно-десорбционных, газодиффузионных и эмиссионных характеристик плаз-монапыленных покрытий и других материалов ЭВП, позволяющий реализовать метод термодесорбционной масс-спектроскопии, динамический метод сорбции, волюмометрический метод сорбции, масс-спектрометрический динамический метод определения газопроницаемости мембран, термоэмиссионный и вторично-эмиссионный методы определения работы выхода электрона, а также различные комбинации этих методов с анализом поверхности при вакууме до 10~7 Па и температуре нагрева образцов до 1700 К;
-разработан и изготовлен ГСВВК для испытания катодов МГЛ с созданием и обработкой соответствующих алгоритмов и программного обеспечения автоматизированных измерений, обработки и анализа полученных данных, документирования результатов;
— использование оптимизированных активированных плазмонапы-
ленных титановых геттеров и тройных карбонатных эмиттеров в конст
рукциях МГЛ позволило улучшить рабочий вакуум ламп на 1-2 порядка,
снизить коэффициент шума на 10-15%, сократить разброс сеточного тока,
уменьшить температуру и увеличить скорость эмиттернои активировки
при росте срока службы в 2 раза.
Технологические процессы и оборудование внедрены в производство ГНПП «Контакт», ОАО «Тантал» и НПА «Плазма Поволжья» г. Саратова.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на межотраслевой научно-технической конференции «Технологические проблемы комплексной микроминиатюризации радиоэлектрон-
ной аппаратуры» (Саратов, 1986), II зимней школе-семинаре «Методы и системы управления вычислительными и контрольно-измерительными комплексами» (Саратов, 1990), Международной конференции «Плазмохи-мия-91» (Москва, 1991), IV Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 2003), IV Международном научно-практическом семинаре «Современные электрохимические технологии в машиностроении» (Иваново, 2003).
. Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе - 4 в центральной печати и обзор по ЭТ. Положения, выносимые на защиту:
- аппаратурные и методические разработки в области конструирова
ния ГСВВК для исследования плазменных покрытий, применяемых в ус
ловиях производства и функционирования ЭВП;
-методические разработки для проведения структурных и сорбци-онно-десорбционных исследований плазменных покрытий, анализа и обработки полученных результатов;
результаты структурных и сорбционно-десорбционных исследований антиэмиссионных и эмиссионных плазмонапыленных титановых и тройных карбонатных покрытий;
практические рекомендации по оптимизации технологии плазменного напыления на сетки и катоды ЭВП и их последующей обработке, а также принципы моделирования процессов функционирования плазмонапыленных покрытий.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 125 страницах, содержит введение, 4 главы, выводы, список использованной литературы из 135 источников, 46 рисунков и 7 таблиц.
