Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретическое исследование оптического контакта
1.1. Виды соединений оптических деталей 15
1.2. История создания ОК 20
1.3. Физические свойства ОК 23
1.4. Роль воды в образовании ОК 29
1.5. Взаимодействие воды с поверхностью и водородная связь 36
1.6. Влияние температурных воздействий на состояние поверхности 39
1.7. Физико-химическая модель ОК 45
1.9. Методы упрочнения оптического контакта 58
1.10. Метод гидроксидного катализа 63
Выводы к главе 1 68
Глава 2. Экспериментальные исследования оптического контакта
2.1. Цели и подготовка эксперимента 70
2.2. Определение механизма взаимодействия 73
2.3. Влияние технологии финишной очистки и ТВО 77
2.4. Методы упрочнения соединения 80
2.5. Прочность ОК ситалла Clearceram 82
2.6. Проблема разности ТКЛР материалов, соединяемых ОК 84
2.7. Напряжения в ОК, возникающие из-за разницы ТКЛР 86
2.8. Статистическое исследование влияния неплоскостности сопрягаемых деталей на качество ОК 93
Выводы к главе 2 100
Глава 3. Влияние ТКЛР материалов, используемых в лазерной гироскопии, на эксплуатационные характеристики прибора
3.1. Проблема ТКЛР материалов в лазерной гироскопии 102
3.2. Общие сведения о ситаллах 103
3.3. Влияние различных факторов на свойства ситаллов 107
3.4. Влияние свойств ситалла на тепловое расширение резонатора ПО
3.5. Влияние высокотемпературных отжигов 125
3.6. Поиск нового материала для производства резонаторов 134
3.7. Исследования развития свилей в материале Clearceram 136
3.8. Сравнение материалов СО-115Ми Clearceram 139
3.9. Влияние высокотемпературных отжигов на ТКЛР перспективного материала Clearceram 145
3.10. Экспериментальное исследование пьезопривода термокомпенсирующей конструкции 147
3.11. Оптимизация конструкции пьезокорректора 156
Выводы к главе 3 161
Основные результаты работы и выводы 163
Список используемых сокращений 165
Литература
- Физические свойства ОК
- Методы упрочнения оптического контакта
- Проблема разности ТКЛР материалов, соединяемых ОК
- Влияние высокотемпературных отжигов
Физические свойства ОК
В настоящее время существуют различные методы для соединения оптических деталей, которые могут и зачастую успешно используются при производстве лазерных гироскопов. Все они имеют свои преимущества и недостатки, поэтому перед началом исследований необходимо уделить внимание рассмотрению основных методов соединения оптических элементов.
Основными требованиями, предъявляемыми к соединению оптических деталей в лазерной гироскопии, являются: вакуумная плотность, достаточная прочность, способность сохранять целостность в широком интервале температур, раз-борность, стойкость к химическим воздействиям. Кроме того, соединение должно осуществляться без нагревания сборки выше 200С. Последнее требование связано с тем, что по существующей технологии среди материалов, используемых в ЛГ, имеется припой, нагрев которого выше данной температуры недопустим.
Итак, на сегодняшний день в современном оптическом приборостроении наиболее распространены следующие методы соединения оптических деталей [9]:
При использовании данной технологии на поверхность соединяемых деталей наносится слой клея. После этого соединение либо выдерживается в течение некоторого времени, либо подвергается температурному воздействию, либо подвергается воздействию ультрафиолетового излучения. Это недорогой и очень эффективный метод соединения оптических деталей. Но у такого способа присутствует ряд недостатков, недопустимых при использовании в лазерной гироскопии. К таким недостаткам относятся: - чувствительность к высоким и низким температурам; - плохая сопротивляемость химическим воздействиям; - возможное смещение склеиваемых деталей относительно друг друга вследствие температурных воздействий; - возможное выделение нежелательных газов из клеевого слоя, что для вакуумных соединений является недопустимым; - неразборность клеевого соединения.
Еще одним распространенным видом соединения оптических деталей является диффузионная сварка. Для создания подобного соединения две оптические детали нагреваются и соединяются при приложении давления. При этом температура, при которой состоится соединение, должна составлять не менее 80% от температуры плавления материала. В случае использования ситаллов такая температура варьируется в пределах 800 - 1000С, что является недопустимым для сборки лазерных гироскопов. Кроме того, такое соединение является неразъемным.
Метод соединения деталей с использованием промежуточного слоя жидкого стекла. При использовании данного метода соединяемые поверхности полируются, очищаются и покрываются расплавленным стеклом. Затем детали соединяются, причем температура стекла составляет 400-650С, при этом к ним прикладывается давление. При соединении оптических деталей данным методом обеспечивается высокая механическая прочность и высокая химическая сопротивляемость.
В патенте [10] фирмы Honeywell описано соединение оптических элементов лазерного гироскопа с помощью промежуточного слоя жидкого стекла. Такой принцип соединения заметно уменьшает стоимость готового прибора по сравнению с ОК из-за уменьшения требований к качеству соединяемых поверхностей. Подобный способ сборки лазерных гироскопов применяется, например, при производстве лазерного гироскопа GG1308 (фирма Honeywell) [11]. Одним из основных недостатков данного метода является образование неразборного соединения и нагрев области сборки.
В одном из современных патентов фирмы Honeywell [12] приведен еще один интересный способ соединения деталей лазерного гироскопа. При ис пользовании этого метода на первом этапе на соединяемые поверхности оптических элементов (корпус-зеркало) наносится слой связующего материала. При этом соединяющие материалы подбирают таким образом, чтобы температура образования их сплава была ниже температуры плавления каждого из соединяемых материалов, а температура плавления сплава - выше температуры плавления связующего материала с самой низкой температурой плавления. На следующем этапе слой связующего материала на одной поверхности соединяют со слоем связующего материала на другой поверхности при температуре меньше температуры плавления любого из соединяемых материалов. Эффективность процесса может быть повышена путем нанесения дополнительного слоя между оптическим элементом и основным связующим слоем. Такие материалы выбираются исходя из того, что соединение между подобным материалом и основным связующим или поверхностью оптического элемента будет лучше, чем непосредственное соединение между оптическим элементом и основным связующим материалом.
Например, можно использовать сплав индия и золота на стеклокерамической подложке, на которую предварительно будет нанесен слой хрома. Температура плавления золота 1064С, индия - 156С. Если их соединить при температуре 40 -90С, то они начнут диффундировать друг в друга, образуя сплав с температурой плавления 232 - 450С, что заметно выше температуры плавления индия.
Наиболее подходящим для наших целей является соединение методом оптического контакта (ОК) и некоторые его вариации. При традиционном ОК поверхности оптических деталей полируются, очищаются и соединяются вместе без использования клея. К неоспоримым достоинствам подобного соединения относится его разборность без повреждения поверхностей соединяемых деталей. Это обусловлено небольшой механической прочностью соединения.
Такой метод соединения оптических деталей для лазерной гироскопии описан в патентах [13-16] фирмы Honeywell, [17 - 19] фирмы Singer, [20] фирмы Carl Zeiss, [21] L-3 Communications Corp. Полученное соединение может быть дополнительно герметизировано с помощью нанесения на контактную границу жидкого стекла, расплавленного индия или эпоксидной смолы.
Другие фирмы не приводят открытых данных по виду сборки своих изделий, обычно просто упоминают, что зеркала присоединяются к корпусу. Тем не менее исходя из схемы лазерных гироскопов видно, что их можно соединить представленными выше способами.
На отечественных предприятиях: ОАО "НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха", Тамбовский завод "Электроприбор", Серпуховской завод "Металлист", Раменский приборостроительный завод (РПЗ), Арзамасское НПП "Темп-Авиа", а также ГП "Завод "Арсенал" (Украина) для сборки лазерных гироскопов применяют метод оптического контакта.
На сегодняшний день существует несколько вариаций технологии оптического контакта.
Метод прямого сращивания - аналогичный ОК метод соединения оптических деталей, используемый в полупроводниковой индустрии. Такая технология включает в себя дополнительный шаг - создание ковалентной связи между поверхностями, которая значительно сильнее связей в традиционном ОК. Это достигается путем нагрева сборки до температур 450-800С. Этот метод практически аналогичен методу глубокого оптического контакта (ГОК). Дополнительный шаг также может включать в себя приложение давления к соединению. Являясь неразборным после приложения температурного воздействия, на этапе сборки метод прямого сращивания и ОК полностью аналогичны, что позволяет пользоваться наработками в полупроводниковой индустрии для понимания многих процессов, происходящих в ОК.
Методы упрочнения оптического контакта
Хотя явление оптического контакта известно достаточно давно, большинство работ до недавнего времени носило преимущественно эмпирический характер. Основываясь на результатах исследований литературных данных, в данном разделе будут описаны основные свойства бесклеевого контактного взаимодействия.
Одной из первых работ, посвященных разностороннему изучению свойств ОК полированных стеклянных поверхностей, является работа, проведенная Об-реимовым и Треховым, вышедшая еще в 1957 году [27]. Необходимо сказать, что данная статья во многом определила последующее направление в изучении данного вопроса.
В работе авторы одними из первых дали определение ОК. Так под термином "оптический контакт" понимают следующее явление: две хорошо отполированные поверхности, будучи приведенными в соприкосновение, слипаются между собой столь прочно, что их трудно отделить одну от другой. В статье приведены результаты исследований прочностных свойств соединения, анализ напряжений и механизм образования связи.
Авторы также установили, что соединенные методом ОК детали можно отделить друг от друга только нормальными усилиями, сдвинуть их без повреждения поверхностей нельзя.
Кроме того, Обреимов и Трехов измеряли работу нормального отрыва двух пластинок. К детали толщиной 10 мм поочередно методом ОК присоединялись детали толщиной 0,5 мм, 1 мм, 2 мм. Примечательно, что для пластинки 0,5 мм работа отрыва в 1,5 раза превышает работу отрыва для остальных пластинок. По-видимому, это связано с меньшей жесткостью тонкой пластинки. В таком случае деталь легче деформируется, тем самым компенсируя дефекты обработки контактной поверхности. Кроме того, наши расчеты, проведенные методом конечных элементов, показали, что соединение менее жестких деталей является предпочтительным. Исследователи первыми обратили внимание, что при просмотре образцов, посаженных на контакт, в скрещенных николях перпендикулярно к поверхности контакта обнаруживается слабое просветление поля, свидетельствующее о наличии напряжений, которые распределены неравномерно в плоскости контакта и быстро затухают с глубиной. Эти напряжения перпендикулярны поверхности и уменьшают прочность ОК на отрыв. С течением времени они рассасываются. Авторы предполагают, что с этим может быть связано увеличение прочности контакта с течением времени. Аналогичные результаты были получены методами двулучепреломления в более поздних работах [28], [29], а также в исследованиях, проводимых в НИИ "Полюс".
Появление напряжений в зоне контакта, которые возникают из-за неплоскостности поверхностей сопрягаемых деталей, наблюдалось также методами рентгеновской топографии [25]. Такие напряжения, имеющиеся в образцах при комнатной температуре, не отличаются от напряжений, возникающих при повышенной температуре. Это свидетельствует о том, что большинство деформаций происходит уже при непосредственном соединении деталей.
Помимо этого, в работе [27] исследовалось явление спекания ОК - образование ГОК. Известно, что если посаженные на ОК поверхности осторожно нагреть, то они могут спечься. Оба стекла образуют тогда одно целое, и разделить обе поверхности контакта без физического разрушения образцов более нельзя.
В ходе исследований авторы выяснили, что при нагреве до 100С с поверхностями стекол, посаженных на ОК, ничего не происходит, прочность соединения остается неизменной. Если осторожно нагреть две посаженные на контакт поверхности до 150С и выше, то между ними начинает выделяться окклюдированный газ, при этом поверхности целиком или частично сходят с контакта. Когда выделение газа прекращается, обе пластинки обратно спонтанно садятся на контакт, причем его прочность резко возрастает. Наконец, при более высоких температурах нагрева прочность спеченного контакта можно сравнить с прочностью цельного стекла. По данным [30] такое упрочнение ОК может быть достигнуто уже прогревом в интервале температур 100 - 150С. Немалую роль здесь также играет время отжига соединения и предварительная обработка сопрягаемых поверхностей. Однако при этом разделение поверхностей, как правило, приводит к их повреждению.
При разрыве спекшегося ОК на поверхности разрыва обнаруживаются вы-колки. Локальность этих выколок говорит о том, что контакт, даже оптический, образуется только в отдельных точках контактирующих поверхностей. Обычно в области спекшегося контакта обнаруживаются сильные напряжения.
Как известно, реальные поверхности имеют определенную шероховатость и волнистость. В результате этого фактическая площадь контактирования имеет дискретный характер, т.е. состоит из определенных пятен касания. Изучение фактической площади контакта металлических поверхностей показывает, что фактическая площадь контактирования составляет малую долю от номинальной поверхности контакта [31]. Формирование площади контакта для таких поверхностей происходит, главным образом, за счет увеличения количеств пятен касания, без заметного увеличения площади самих пятен. При контактировании твердых материалов рост площади контакта под нагрузкой происходит аналогично случаю металлов. Напротив, мягкие эластичные полимеры типа резин образуют фактическую площадь контакта не только за счет роста числа пятен касания, но и из-за увеличения площади самих пятен.
Поэтому в случае ОК соединение устанавливается не по всей поверхности, а в отдельных точках. При ОК поверхности соприкасаются только отдельными участками или точками в соответствии со своим микропрофилем. Такой характер ОК обуславливает зависимость его механической прочности на отрыв в первую очередь от общей площади действительно контактирующих участков [32].
Проблема разности ТКЛР материалов, соединяемых ОК
По мнению Plobl и Krauter [25], увеличение энергии соединения после 800С связано с тем, что до температур 700-800С соединение происходит не по всей площади вследствие имеющихся на поверхности микронеровностей. При 800С кремнезем размягчается и заполняет оставшиеся микропоры.
Другой взгляд на физику упрочнения соединения приведен в работе [48]. Процесс также разбивается на 3 этапа (здесь анализируется тот же график, представленный на рис. 1.5). На первом этапе при соприкосновении двух гидрофильных поверхностей образуются водородные связи между атомами кислорода и водорода, принадлежащими адсорбированным молекулам воды. Первый этап полностью аналогичен исследованиям, проведенным в [25].
Второй этап начинается после подъема температуры до 200С. При этом происходит удаление излишков воды, и соединение осуществляется через двойные водородные связи, образуемые между силанольными группами противоположных поверхностей. Этим объясняется наличие пологого участка на рис 1.4 для гидрофильных поверхностей в интервале температур 200 - 800С.
При достижении температуры 800С начинается 3 этап, который заключается в образовании прочной силоксановой связи за счет конденсации силанольных групп с выделением воды.
Видно, что температура образования сильной ковалентной связи при соединении окисленного кремния сильно различается по данным разных авторов. Правильнее использовать данные, приведенные в [25], [46], т.к. реально при температурах выше 150С было достигнуто упрочнение соединения, разъединение которых без разрушения оказалось невозможным. Это свидетельствует об образовании сильной ковалентной связи между поверхностями. Кроме того, в технологии создания ГОК для обеспечения силоксановой связи между поверхностями кремнезема используется нагрев до температуры 250С [39]. Исходя из этого понятно, что объяснение модели упрочнения соединения, представленные в [48] является недостоверным.
Оптический контакт может быть получен и в случае соединения гидрофобных поверхностей [25]. Например, такой поверхностью является поверхность кремния после обработки плавиковой кислотой или фтористым аммиаком. Подобная обработка ведет к покрытию поверхности преимущественно группами Si-Н с некоторым количеством групп Si-F. При этом обработка плавиковой кислотой может привести к увеличению шероховатости поверхности.
В этом случае связь осуществляется посредством сил Ван-дер-Ваальса между атомами водорода, принадлежащими противоположным поверхностям (рис. 1.5). При применении подобной обработки некоторое количество атомов фтора или ОН-групп, сформировавшихся в результате реакции Si-F с водой, присутствуют на поверхности и могут образовывать водородную связь между соединяемыми деталями.
При подобном соединении существовало предположение, что взаимодействие может осуществляться в результате действия только водородных связей между молекулами Si-F и Si-OH. Однако, методами ИК-спектроскопии было установлено образование ван-дер-ваальсовых связей между группами Si-H, находящихся на противоположных поверхностях.
Энергия ван-дер-ваальсовых взаимодействий меньше энергии водородной связи. Кроме этого, важным фактором является увеличение контактной поверхно сти в случае соединения через прослойку воды. Напротив, в случае контакта гидрофобных поверхностей взаимодействие осуществляется только для атомов, непосредственно сближенных на расстояние действия межмолекулярных сил. Поэтому прочность такого соединения оказывается заметно ниже. Например, для гидрофобной поверхности кремния были получены величины поверхностной энергии 20-30 мДж/м против 100-150 мДж/м для гидрофильной поверхности.
Что касается температурной обработки сборки гидрофобных поверхностей, то проведение отжига в течение 150 часов при температурах ниже 300С практически не повлияло на величину поверхностной энергии (рис. 1.4). Начиная с температуры 300С начинается активная десорбция водорода с границы контакта и появляются связи Si-Si. Около 700С прочность соединения становится сопоставимой с прочностью материала.
Преимущество использования гидрофильных поверхностей подтверждается и исследованиями, проведенными в рамках работы [48]. Здесь был рассмотрен эксперимент по определению скорости распространения пятна контакта для соединения плавленого кварца с кремнием, на поверхности которого образовался естественный слой оксида, и термически окисленным кремнием в зависимости от предварительной обработки поверхности. При осуществлении соединения большая скорость распространения волны контакта указывает на большую склонность к осуществлению соединения и, соответственно, на формирование больших сил адгезии между пластинами. Это утверждение хорошо согласуется с исследованиями, приведенными Любановой в работе [32].
Скорость волны контакта пластин кремния, связываемых с плавленым кварцем, определялась наблюдением с использованием видеокамеры. Увеличение пространства контакта измерялось на видеопринтере, а затем вычислялась скорость волны контакта.
На рис. 1.6 представлена зависимость скорости распространения пятна контакта для соединения плавленого кварца и кремния, поверхность которого подвергалась различной обработке от времени выдержки образцов до осуществления контакта.
Влияние высокотемпературных отжигов
На рис. 4 кривой 1 представлены расчетные значения изменения длины периметра резонатора из ситалла 3-й группы, ТКЛР которого измерен с использованием дилатометра, а кривой 2 представлены экспериментально измеренные значения длины периметра резонатора, также изготовленного из ситалла 3-й группы, при различных температурах окружающей среды. Экспериментальные измерения проводились на нескольких резонаторах, для всех были получены близкие результаты.
Кривая 3 показывает расчетное изменение длины периметра резонатора из ситалла 1-й группы, ТКЛР которого измерен с использованием дилатометра. Кривой 4 представлены экспериментально измеренные значения длины периметра резонатора, изготовленного из ситалла СО-115М, не проходившего специальный отбор, с неизвестным ТКЛР. Кроме того, в таких резонаторах визуальным наблюдением, как правило, обнаруживались свили несмотря на то, что наблюдение свилей в корпусе резонатора затруднено.
Из графика видно, что экспериментальные зависимости измерения ТКЛР хорошо согласуются с расчетными.
Как говорилось выше, для ОК крайне важным является различие в ТКЛР соединяемых деталей. В результате проведенных нами исследований ситалла СО-115М (13 различных варок) был установлен диапазон возможных значений интересующего нас параметра. Результаты исследований представлены на рис. 3.10.
Отметим, что все исследованные нами температурные зависимости лежат в показанном на рис. 3.10 интервале, эквидистантно кривым, обозначающим границы интервала. Результат полностью согласуется с исследованиями, проводимыми в работе [87], где указано, что для ситаллов литиевоалюмосиликатной системы, к каким относится ситалл СО-115М, зависимость dL (а, следовательно, и а) от температуры можно представить кривой одного вида, перемещаемой вдоль оси абсцисс при колебаниях состава и режима термообработки.
Важная для OK разность ТКЛР в температурном интервале от 20 до 180С для крайних случаев составляет 5,06-10" 1/С. Как показали расчеты методом конечных элементов, например, для плоских зеркал (030 мм, h = 4 мм) такая разность будет допустимой при прочности ОК 0,85 МПа.
Конечно, в реальности такой крайний случай может возникнуть нечасто, тем не менее полученное нами значение для прочности ОК = 0,6 МПа не может полностью удовлетворять условиям нашего производства. Поэтому уменьшение разности ТКЛР сопрягаемых деталей является насущной задачей лазерной гироско-пии.
Для бессвильного ситалла, но имеющего напряжения в нерабочем направлении, были проведены дополнительные исследования. Для этого были произвольно взяты 2 заготовки из подобного ситалла различных варок. Образцы для исследований вырезались попарно в 3-х перпендикулярных направлениях (рис. 3.11).
Из приведенных графиков видно, что в различных направлениях ТКЛР си-талла практически не изменяется, следовательно, подобные напряжения (-12 нм/см) в стеклокристаллическом материале не оказывают существенного влияния на его ТКЛР.
Также нами предпринималась попытка связать цвет ситалла СО-115М с температурной зависимостью а. Для этого из материалов, визуально различающихся по цвету, были вырезаны образцы для дилатометрических исследований. Материал условно был разделен на три группы: светлый, средний, темный. Т.к. характерный желтовато-коричневый цвет ситаллу СО-115М придает наличие оксида титана [88], предполагалось, что на интенсивность окраски материала может влиять концентрация используемого катализатора. Результаты проведенных исследований представлены на рис. 3.14.
Помимо этого были проведены исследования по определению ТКЛР свиль-ного материала в трех перпендикулярных направлениях (аналогично напряженному материалу). Рассматривался материал, обладающий параллельными нитевидными свилями с напряжениями 12 нм/см, наблюдаемые на полярископе ПКС-250М. Подобные напряженные свили рассматриваются как наиболее часто встречающиеся дефекты, например, среди материала, полученного за 2012-2013 годы, примерно для 25% ситалла было обнаружено наличие подобных дефектов в нерабочем направлении. Сейчас материал не используется, т.к. не отработаны критерии его отбраковки, в связи с этим установление критериев возможности использования подобного материала является актуальной задачей. Результаты исследований ТКЛР представлены на рис. 3.15.
Из рис. 3.15 хорошо видно, что ТКЛР материала в трех перпендикулярных направлениях практически не отличается между собой. Также видно, что наличие подобных параллельных свилей с напряжением 12 нм/см никак не влияет на значение а во всем интервале используемых в технологическом цикле температур. Известно, что для плоских зеркал из-за неоднородностей в оптических характеристиках использование свильного материала недопустимо. Кроме того, из-за явления обратного рассеяния нежелательно использование неоднородного материала и на остальных зеркалах ЛГ.
Для других оптических элементов, а именно, корпуса и блока электродов использование подобного материала допустимо. Внедрение в производство такого ситалла также позволит не ужесточать требования к допустимому значению напряженности материала на свилях, что, несомненно, является экономически выгодным.
Затем мы проверили правильность полученных выводов, проведя статистическую оценку влияния свильности ситалла СО-115М на выход годных приборов. Для этого нами была проведена серия измерений двойного лучепреломления на корпусах ЛГ (непосредственно после изготовления) и на уже собранных датчиках на этапе напыления металлизационного покрытия на пьезозеркала для последующей пайки пьезоприводов. Измерения проводились на полярископе-поляриметре ПКС-250М.
