Введение к работе
Актуальность проблемы, В последние годы все более
широкое использование в различных областях промышленности
получают технологические процессы, основанные на использовании
неизотермической плазмы. Среди многочисленных технологических
процессов, проводящихся с использованием особенностей
неизотермической плазмы, особый интерес представляет процесс
осаждения углеродистых пленок из газовых мономеров в тлеющем
разряде постоянного тока. Углеродистые пленки, полученные в
плазме тлеющего разряда, обладают целым рядом уникальных
свойств: высокой твердостью (приближающейся к твердости алмаза)
и износостойкостью, низким коэффициентом, трения, высоким
удельным электрическим сопротивлением, полупроводниковыми
свойствами, управляемой гидрофильностью, прозрачностью как в
ИК-диапозоне, так и в видимой области, высокой химической
стойкостью в растворах кислот (плавиковой, азотной; соляной и их
смесях). Такие пленки находят применение при упрочнении
режущего инструмента (сверла, фрезы, резцы) в металлообработке,
изготовлении тонкопленочных конденсаторов в электронике, защите
природных полимеров (бумаги) от старения в библиотечном деле,
коррозионной защите металлопроката от окисления и многих других
областях.
Процессам осаждения пленок из газовой фазы в неравновесной
плазме безотносительно к характеристикам подложки посвящено
большое число работ. Однако проблема взаимодействия с
подложками углеродистых пленок до сих пор не рассматривалась,
свойство пленок изучались изолированно от характеристик
подложек. К тому же описанные в литературе экспериментальные
| РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ і БИБЛИОТЕКА }
данные, в основном, относятся к пленкам, осажденным из ВЧ-индуцированной плазмы.
Работа выполнена в соответствии с грантом Федеральной целевой научно-технической программы контракт №804-24(00)-П и дополнительному соглашению №804-24(00)-П-Д01.
Цель и содержание поставленных задач, В работе было проведено исследование влияния природы подложки на механизм, скорость роста и физико-химические свойства осажденных из разряда углеродистых композитов. Основной целью работы являлась разработка эффективного технологического процесса осаждения углеродистых пленок на акустическую древесину с целью улучшения ее резонансных характеристик и других функциональных характеристик.
Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие задачи:
1. Изучить механизм образования и структуру углеродистого
покрытия, осажденного из неизотермической плазмы тлеющего
разряда постоянного тока.
-
Выяснить, как влияет природа подложки на скорость образования и физико-химические свойства осажденного углеродистого покрытия.
-
Оценить возможность использования углеродистого покрытия на резонансной древесине в качестве грунтовочного слоя (в частности, установить влияние плазменной обработки на поровую структуру, коэффициент смачивания; и акустические характеристики резонансной древесины).
4. Подобрать оптимальные технологические параметры процесса
осаждения карбенового покрытия в условиях неизотермической
плазмы тлеющего разряда (давление и тип газового мономера,
скорость прокачки мономера, мощность разряда и т. д.).
5. Разработать конструкцию катодного узла для ведения процесса
плазменного осаждения в тлеющем разряде постоянного тока с
максимальной скоростью в режиме пленочного (не объемного)
осаждения.
Объект исследования - технология и функциональные свойства углеродистых плёнок на подложках с различными физико-химическими свойствами: металлах (металлах: стали, алюминии), силикатном стекле, синтетических полимерах (полипропилене, полиамиде, лавсане) и природном полимере - древесине (еловой, сосновой, берёзовой, буковой и бумаге).
Экспериментальные исследования процесса осаждения углеродистых пленок проводились на промышленной установке ННВ - 6.6 типа "Булат", с авторскими конструктивными изменениями.
На защиту выносятся:
-
Результаты исследования морфологии и механизма роста углеродистого- покрытия, осажденного из неизотермической плазмы тлеющего разряда постоянного тока на подложки из металла, природных и искусственных полимеров
-
Результаты исследования влияния природы подложки (из нержавеющей стали, алюминия, полиамида, полипропилена, древесины) на скорость роста углеродистого покрытия, и его физико-химические свойства.
-
Результаты исследования акустических характеристик, поверхностной прочности и поровой структуры резонансной древесины после нанесения углеродистого покрытия. Оценка
грунтовочных свойств углеродистого покрытия (гидрофобность и угол смачивания защитными лаками). 4. Результаты исследования технологических параметров работы разработанного в процессе выполнения исследования спирального водоохлаждаемого катода (СВК) на кислороде, аргоне, азоте, ацетилене: определение оптимальной мощности разряда, скорости прокачки газового мономера и геометрических характеристик разрядной камеры. Научная новизна. Проведено, комплексное исследование процессов образования углеродистых пленок (карбенов) на различных подложках в условиях неизотермической плазмы тлеющего разряда постоянного тока на углеводородном газообразном мономере. Экспериментально доказана зависимость скорости образования, механизма образования, состава, физико-химических свойств получаемых углеродистых покрытий от структуры поверхности подложки и ее химической природы. Разработана конструкция спирального водоохлаждаемого катода (СВК), работающего с использованием эффекта полого катода. Экспериментально изучено влияние и связь основных параметров тлеющего разряда на эффективность и производительность процесса плазменного осаждения углеродистых покрытий на различные подложки. Экспериментально определены оптимальные технологические параметры плазменного осаждения углеродистых покрытий на резонансную древесину, выявлено положительное влияние осажденных пленок на акустические параметры древесины. Практическая ценность работы. Результаты проведенных экспериментальных исследований позволяют разрабатывать технологические параметры и функциональные свойства углеродистых покрытий карбенового типа в плазме тлеющего
разряда на подложках различной химической природы (металлы, природные и синтетические полимеры). Доказана необходимость учета физико-химических свойств и. структуры подложки для правильного и более полного понимания механизма осаждения углеродистых покрытий. Созданный для этой работы СВК, позволил снизить до минимума недостатки, существующие при осаждения углеродистых пленок с использованием тлеющего разряда постоянного тока:
Диэлектрическая изоляция и падение мощности разряда за
счет полного дегидрирования, образующихся на катоде
карбенов в плазме аномального тлеющего разряда;
минимизировать радиационный нагрев подложки за счет
снижения поверхностной' температуры водоохлаждаемого
катода.
Разработана эффективная технологическая схема осаждения углеродных пленок на образцы резонансной древесины на базе промышленной установки ННВ-6,6 типа «Булат», для придания ей особых акустических свойств.
Публикации. По результатам теоретических и экспериментальных исследований опубликованы три статьи, получен патент №2185283.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, и списка литературы. Полный объем диссертации 179 страниц, рисунков-81, таблиц-17, количество использованных литературных источников-111.
