Введение к работе
Актуальность проблемы. В различных устройствах радиоэлектроники широко используются ферритовые устройства, такие как вентили, циркуляторы, фазовращатели и т.д. Применение ферритов в СВЧ приборах обусловлено сочетанием высокого удельного электрического сопротивления с разнообразными магнитными свойствами. Обычно ферритовые устройства, являющиеся пассивными элементами, изготавливаются и испытываются отдельно от активных электровакуумных приборов СВЧ (генераторов или усилителей О- и М-типов), в которых они применяются.
Наиболее существенный вклад в проектирование и исследование ферритовых приборов СВЧ диапазона внесли: Б.М. Лебедь, Ю.Н. Афанасьев, Н.Д. Урсуляк, М.В. Вамберский, Ю.М. Яковлев, В.Н. Богомолов, А.А. Димитрюк, Р.А. Семенов, Э.И. Меркин, В.И. Казанцев.
В последние годы в практике конструирования таких приборов заметен переход к так называемым «комплексированным изделиям» – устройствам, в которых ферритовые узлы являются неотъемлемой частью металлического корпуса активного прибора. Для крепления ферритовых узлов (как правило, выполненных из феррогранатов и феррошпинелей) с корпусом могут использоваться технологии склеивания, низко- и высокотемпературной пайки и диффузионного соединения.
При выборе того или иного способа соединения феррита с металлом необходимо прежде всего обеспечить сохранность свойств феррита при высокотемпературном режиме откачки ЭВП, а также требуемую теплопроводность ферритового узла и прочность его крепления на корпусе прибора при последующей эксплуатации. Для этих целей наиболее подходит диффузионный способ соединения ферритометаллических узлов (ФМУ), так как клейка и пайка не всегда могут обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики изделий из-за коррозии и процессов старения материалов.
Наиболее существенный вклад в разработку технологии диффузионных методов соединения ФМУ применительно к приборам СВЧ внесли: В. Конюшков, В.А. Неганов, Н.М. Котина, Е.А. Томильцев, О.Ю. Жевалев.
Вследствие сложности разнообразных физико-механических процессов, протекающих при диффузионном соединении, требуется разработка обобщенного технологического процесса с учетом большого числа влияющих факторов, включая типоразмер и марку феррита. Очевидно, что только экспериментальным путем решить эту проблему невозможно. Поэтому при создании комплексированных приборов СВЧ с ФМУ важную роль приобретают компьютерные методы моделирования процесса диффузионного соединения
В настоящее время развитие компьютерной техники и комплексного программного обеспечения (пакеты Mathcad, Matlab, Ansys, SolidWorks и т.д.) с использованием относительно новых методов искусственного интеллекта – нейронных сетей – позволяют создавать различные расчетные модели сложных технических объектов, в том числе и модели технологических процессов. Однако для моделирования процесса диффузионного соединения такие методы пока не использовались, а сами модели физико-химических процессов носили качественный характер. Разработка более совершенных математических моделей и оптимизация параметров технологического процесса на основе метода нейронных сетей позволит определять для него оптимальные режимы и параметры, а его реализация на практике обеспечит повышение термических и механических характеристик ферритометаллических узлов электровакуумных приборов
Целью работы является совершенствование технологии диффузионного соединения ферритов с металлами для повышения термических и механических характеристик ФМУ электровакуумных приборов на основе нейросетевого моделирования.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
проанализировать использование ферритовых материалов и методы изготовления ФМУ для электровакуумных приборов;
исследовать температурные интервалы стабильности химического состава феррогранатов и феррошпинелей при их нагреве в вакууме на основе термодинамического анализа равновесного давления кислорода;
исследовать зависимость прочностных свойств ферритов от их размеров на основе статистической модели Вейбулла;
исследовать теплопроводность конструкций ФМУ, выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, при значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала, соответствующей максимально допустимой температуре эксплуатации 100150 0С;
разработать математическую нейросетевую модель технологического процесса диффузионного соединения ФМУ, учитывающую влияние большого числа факторов, включая типоразмеры ферритовых деталей, на прочностные свойства;
исследовать с помощью разработанных математических моделей физико-химические особенности процессов диффузионного соединения ФМУ в вакууме при разных температурах для основных марок ферритов;
определить оптимальные режимы, обеспечивающие для феррогранатов и феррошпинелей получение соединений с требуемыми характеристиками;
провести совместно с разработчиками приборов СВЧ испытания конструкций ФМУ для ЭВП на термоциклические, вибрационные, динамические нагрузки, а также выходных параметров ЛБВМ со встроенными ФМУ.
Методы и средства исследований
Решение поставленных задач осуществлялось с использованием дифференциальных уравнений теплопроводности, термодинамического анализа изменения энергии Гиббса для химических реакций образования моноферритов, уравнений вакуумной техники, статистической модели Вейбулла, нейросетевого моделирования, уравнений регрессии для определения прочности диффузионного соединения феррогранатов, компьютерного программного обеспечения (Mathcad и SolidWorks).
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Максимально допустимые температуры нагрева ферритов в вакууме без возникновения необратимых изменений их химического состава должны находиться в следующих пределах: для феррогранатов до 1436 0С; для никелевой феррошпинели – до 1042 0С; для магниевой феррошпинели – до 863 0С;
2. Разработанная нейросетевая модель диффузионного соединения феррограната 30СЧ6 с медью М0б адекватно отражает физико-химические процессы диффузионного соединения и позволяет определять значения технологических параметров требуемых для получения прочных (сдв, 200650 кПа) ферритометаллических узлов с объемом ферритовых деталей от 0,3 до 2,5 см3.
3. Технологические параметры: T=1005 0C; P=1,7104 кПа; t=16,4 мин; скорость остывания ФМУ – Vос=0,2 0C/с, обеспечивают получение прочных диффузионных соединений гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью М0б для ферритовых деталей с объемом 0,3 см3.
Научная новизна работы:
1.Определены температурные интервалы стабильности химического (фазового) состава феррогранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме 110-3 Па. Для феррогранатов – до 1436 0С. Для никелевой феррошпинели - до 1042С. Для магниевой феррошпинели – до 863 0С.
2. Установлено, что в контакте феррошпинель-медь при нагреве в вакууме 10-3Па в интервале температур 9001000 0С образуется оксид Сu2O за счет выделения кислорода из объема феррита, который определяет прочностные свойства диффузионного соединения указанных материалов.
3. Аналитические модели теплопроводности ФМУ, выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, позволяют определить максимальные температуры их нагрева при заданных значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала (2030 Вт/см3) в зависимости от толщины ферритовых деталей. Показано, что теплопроводность диффузионных соединений на 812% больше по сравнению с клеевыми соединениями.
4. Впервые разработана нейросетевая модель технологического процесса диффузионного соединения феррогранатов с медью, учитывающая размеры ферритов на основе статистической модели Вейбулла, и обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 200650 кПа.
5. Найдены оптимальные режимы процесса диффузионного соединения гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью, обеспечивающие высокое качество соединения ФМУ.
6. Найдены новые конструктивные решения технологической оснастки требуемой для выполнения диффузионных соединений ФМУ, позволяющие сократить градиент температур на ферритовых деталях с 1935 до 510 0C, что повышает скорость остывания с 0,08 до 0,12C/с и сокращает операционное время на 1,2 часа (23%).
Практическая значимость:
Разработаны и изготовлены ФМУ на основе феррогранатов марок 30СЧ3, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 и гексаферрита марки 03СЧФ2В1. Оптимизирована конструкция многоместной технологической оснастки, позволяющая сократить операционное время выполнения диффузионного соединения на 23%.
Разработана инженерная методика определения технологических параметров диффузионного соединения феррогранатов с медью на основе нейросетевых моделей.
С помощью разработанного техпроцесса в НИИ «Алмаз» была создана и испытана первая в стране мощная широкополосная ЛБВМ дециметрового диапазона с ферритовым вентилем, встроенным в узел замедляющей системы прибора, результаты испытаний ЛБВМ приведены в актах внедрения.
Разработанные режимы диффузионных соединений феррогранатов 30СЧ3, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 с медью М0б используются в ЗАО НПК «Феррит-Квазар» при изготовлении ферритовых приборов.
Материалы исследований внедрены в учебный процесс в виде материалов лекций и методических указаний к лабораторным работам по дисциплинам: «Материалы и элементы электронной техники» и «Технология материалов и изделий электронной техники», «Оборудование производства электронной техники».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 8-й, 9-й, 10-й Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2009, 2010, 2011), II Всероссийской НПК «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (Махачкала, 2010), V Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2011), XIII Международной НПК «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технической оснастки от нано- до макроуровня» (Санкт-Петербург, 2011), научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Санкт-Петербург, 2011), XVIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Судак, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ (в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 10 статей в научных сборниках.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке методик и компьютерных моделей, оптимизации конструкций технологической оснастки и разработке технологических процессов диффузионного соединения ФМУ с учетом размеров ферритовых деталей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 55 наименований, приложения и актов использования результатов в производстве. Работа изложена на 117 страницах, содержит 43 рисунка и 14 таблиц.
