Введение к работе
Актуальность темы: В обрабатывающей промышленности широкое распространение получили композиционные материалы с жидкой матрицей и дисперсным наполнителем, обладающим абразивными свойствами. Среди них особое место занимают полировальные композиции, так как именно на стадии механического полирования достигаются требуемые выходные характеристики обрабатываемой поверхности.
Формирование полировальных композиций, в отличие от конструкционных порошковых материалов с твердой матрицей, не требует воздействия повышенных температуры и давления. На передний план при их изготовлении выдвигается физико-химическое сродство жидкой матрицы (дисперсионной среды) и порошкового наполнителя (дисперсной твердой фазы) . При этом большое внимание уделяется выбору дисперсной фазы, который обуславливается микротвердостыо (абразивными свойствами) и дисперсностью, а также требованиями, предъявляемыми к расходу полировальной композиции, ее стоимости, выходными параметрами обработанных поверхностей, производительности процесса полирования. Широкий спектр требований особенно необходим при обработке поверхностей элементов радиоэлектронных средств (РЭС), включающих подложки с необычайно жесткими требованиями по микрорельефу, кристаллическому совершенству поверхности, обеспечивающих их электрическую однородность, разнообразные элементы конструкций, требующие зеркальной поверхности, отсутствия механических повреждений и достижения высоких эргономических, защитных свойств.
Таким образом, создание композиционных порошковых материалов с жидкой матрицей - полировальных композиций, поиск новых наполнителей -абразивных порошков, повышающих эффективность процесса обработки поверхностей элементов РЭС различного функционального назначения, являются актуальными задачами, включенными в тематику Российских, региональных научно-технических программ «Алмазные нанотехнологии», «Физические основы нанотехнологии», «Экология, новые технологии и материалы Красноярского края».
Целью работы является создание нового класса композиционных материалов - полировальных композиций и исследование их физико-химических, технологических и эксплуатационных свойств.
В рамках поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
разработать и оптимизировать компонентный состав полировальных композиций на основе новых высокодисперсных порошков,
-
разработать технологические схемы изготовления многокомпонентных полировальных композиций,
3. изучить факторы, влияющие на агрсгативную и ссдиментационную устойчивости композиций на основе предложенных порошков при их взаимодействии с жидкими матрицами (дисперсионными средами),
4.исследовать возможность использования для эффективного полирования ультрадисперсных алмазных (УДА), алмазографитовых (УДА-Г) порошков, полученных методом детонационного синтеза, и порошков техногенного оксида алюминия, представляющих осадки фильтров пылегазоочистки глиноземного производства (ТПГП).
Методы н средства исследования. Для решения поставленных задач был использован комплекс методов исследования вещества, в частности электронно-микроскопический, методы рентгеноструктурного и химического анализа, дифракции быстрых электронов, нематического жидкого кристалла, методы, основанные на измерении фотопроводимости. При исследовании полировальных композиций в виде суспензий использовались спектральные, седиментационные, гравитометрические и волюмометрические методы. При выполнении расчетов применялись аналитические, в том числе с применением специальных функций, и численные методы, методы физического и математического моделирования, элементы дифференциального исчисления и математической статистики. Экспериментальные результаты получены с помощью стандартного оборудования и приборов по специально разработанным для повышения точности измерений методикам и на модернизированной спектральной установке. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием программного пакета Math CAD.
Научная новизна
1. Впервые полировальная композиция представлена композиционным
порошковым материалом с жидкой матрицей (дисперсионной средой) и
высокодисперсным порошковым наполнителем (дисперсной фазой) и к ее
созданию применена методология получения композиционного материала.
-
Выявлены особенности структурообразования в полировальных композициях, связанные со взаимодействием жидкой матрицы с твердым наполнителем.
-
Впервые разработан для малоконцентрированных полировальных композиций, созданных на базе УДА, метод исследования агрегативпой и седимептационнои устойчивости, основанный на определении дисперсности наполнителя по характеристикам светорассеяния.
4. Получены новые данные о физико-химических, свойствах, структуре
зерен порошков техногенного оксида алюминия, обеспечивающих высокие
технологические и эксплуатационные характеристики полировальных
композиций на их основе.
5. Впервые экспериментально показано снижение высоты микрорельефа, механических, кристаллических повреждений, обеспечивающих однородность электрических свойств пьезоэлектрических и полупроводниковых подложек, от использования в механической их обработке новых полировальных композиций, созданных на основе УДЛ хромово-кислотной счистки.
Практическая ценность работы
1 .Разработаны на основе новых высокодисперсных порошков многокомпонентные композиционные материалы для эффективного механического полирования поверхностей элементов РЭС разлігчного функционального назначения.
2. Разработаны и внедрены технологические схемы изготовления
полировальных композиций.
3. Предложен способ регулирования абразивной способности порошков
техногенного оксида алюминия путем дополнительного отжига.
4. Разработана технологическая документация на промышленное
изготовление композиционных материалов в виде полировальных паст
«Суфипол» и «Глипол».
5. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по использованию
поверхностно-активных веществ и ультразвукового диспергирования,
обеспечивающих оптимальность в достижении технологических свойств и
наиболее высоких эксплуатационных характеристик изготавливаемых
полировальных композиций.
Защищаемые научные положення
1. Свойства полировальных композиций существенно зависят от
соотношения компонентов, последовательности их введения в композицию и
оптимизации технологических режимов изготовления, обеспечивающих
седиментациошгую и агрегативную устойчивость композиций.
2. Седиментационная устойчивость свободнодисперсных полировальных
композиций обеспечивается за счет повышения их агрегативной устойчивости
путем совместного действия ультразвука и определенного типа поверхностно-
активного вещества (ПАВ), а полировальных паст - за счет образования
коагуляционных структур при повышении концентраций порошков и ПАВ.
3. Начальные стадии образования коагуляционных структур в
низконаполенных наносуспензиях УДА целесообразно исследовать с помощью
оптических методов, основанных на светорассеянии и позволяющих
контролировать численные значения размеров частиц.
4. Эффективность полирования рабочих поверхностей элементов РЭС
повышается в результате использования в полировальных композициях
высокодисперсных алмазных и алмазографитовых порошков детонационного
синтеза, а также порошков техногенного оксида алюминия, являющихся
фракционированными осадками фильтров пылегазоочистки глиноземного производства (техногенных порошков).
5. Высокое качество обработки поверхностей обуславливается особенностями физико-химических, поверхностных свойств и структуры частиц порошков, а также компонентным составом полировальных композиций.
Реализация и внедрение результатов исследования.
Результаты диссертационного исследования явились основой для организации промышленного производства полировальных паст в рамках инновационных Всероссийской программы «Алмазные нанотехнологии» и региональной программы «Экология, новые технологии и материалы Красноярского края». На основе проведенных исследований разработаны технологические регламенты и технические условия на промышленное изготовление и испытания полировальных паст «Суфипол» и «Глипол».
Результаты работы внедрены на предприятии ЛО «Искра» г. Красноярска, и в МНТП «Супертех» г. Красноярска.
Апробация работы
Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на II International conference on nanometer scale science and technology (Moscow, 1993); Российской конференции «Получение, свойства и применение энергонасыщенных ультрадисперсных порошков металлов и их соединений» (г. Томск, 1993); научно-технической конференции с международным участием «Проблемы техники и технологии 21 века» (г.Красноярск, 1994); межрегиональной конференции «Материалы, технологии, конструкции» (г. Красноярск, 1994); межрегиональной научно-технической конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, материалы и наноструктуры. Получение, свойства и применение» (г. Красноярск, 1996). Отдельные результаты работы докладывались на региональных научно-технических советах и семинарах.
Публикации
По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе 2 патента РФ, 12 статей, 1 учебное пособие, 2 технических условия, 9 тезисов конференций, 5 информационных листков ЦНТИ.
Объём диссертации и её структура
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, трех приложений. Диссертация изложена на 193 страницах, включая 54 рисунка, 29 таблиц и приложения на 15 страницах. Список цитируемой литературы содержит 227 наименований.