Введение к работе
Актуальность темы. Научно-технический прогресс приводит к повышению требований к материалам и необходимости улучшения их комплексных и отдельных характеристик с возможностью изменения в широком диапазоне в соответствии с конкретными условиями эксплуатации. Помимо разработки новых составов и композиций большое внимание уделяется поверхностному модифицированию материалов, поскольку свойства изделия в целом в большинстве случаев определяются характеристиками поверхности и приповерхностного слоя. Особенный интерес вызывают технологии упрочняющей поверхностной обработки металлических поверхностей изделий, позволяющие получать твердую износостойкую оксидную керамику с высокой прочностью сцепления с основой.
Среди оксидных покрытий ведущая роль принадлежит оксиду алюминия и композициям на его основе. Технология плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО) достаточно хорошо разработана для получения керамических покрытий на алюминиевых сплавах и от других методов модифицирования выгодно отличается, прежде всего, высокой экологической чистотой процесса и отсутствием необходимости тщательной предварительной подготовки поверхности деталей. Получаемые этим способом покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью и теплостойкостью, толщиной до 500 мкм и микротвердостью до 2500 кг/мм .
Степень разработанности темы. Несмотря на растущую популярность метода ПЭО, его возможности исследованы и использованы еще далеко не полностью. К настоящему времени накоплен большой практический опыт по применению ПЭО-покрытий в различных отраслях промышленности. Однако некоторые свойства керамических ПЭО-слоев (светотехнические характеристики и радиационная стойкость) исследованы пока слабо. Между тем стойкость приборов к воздействию электромагнитного излучения и оптические свойства материалов являются важными для ряда применений.
-4 В частности, одна из актуальных проблем связана с разработкой устойчивых
терморегулирующих покрытий (ТРП) космических аппаратов (КА) и приборов,
на поверхность которых действуют электромагнитное излучение Солнца и
потоки заряженных частиц. Другая задача связана с необходимостью создания
устойчивых покрытий на материалах, используемых в управляемом
термоядерном синтезе с магнитным удержанием плазмы и в различных ионно-
плазменных устройствах и приборах.
Объект исследования — оксидные керамические слои на алюминии и технология их синтеза при плазменной обработке в электролитах.
Целью работы является разработка технологических процессов синтеза и методов исследования керамических композиционных слоев, обеспечивающих радиационную, тепловую, электроизоляционную и механическую защиту деталей приборов из алюминиевых сплавов.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Отработать технологический режим синтеза методом ПЭО тонкого диэлектрического слоя оксида алюминия толщиной порядка 1 мкм на алюминиевой фольге для создания анодов электролитических конденсаторов.
-
Проанализировать возможности методов ионно-рассеивательной спектрометрии для исследования состава оксидных ПЭО-слоев.
-
Исследовать влияние воздействия ультразвуковых колебаний в процессе плазменно-электролитической обработки на характеристики получаемых покрытий.
-
Изучить характер отражения света от композиционных керамических оксидных слоев и разработать методику измерения спектрального коэффициента отражения на базе серийного спектрофотометрического оборудования.
-
Экспериментально изучить спектральную отражательную способность ПЭО-покрытий на алюминиевых сплавах и ее зависимость от технологических параметров процесса обработки.
-5 6. Испытать ПЭО-покрытия на радиационную стойкость при
воздействии потоков заряженных частиц и плазмы.
Методология и методы исследования. Экспериментальные данные получены как на стандартном аналитическом оборудовании с помощью современных методик исследования, так и при помощи разработанной в ходе выполнения работы сравнительной методики оценки коэффициента отражения покрытий на базе спектрофотометра СФ-46.
Научная новизна работы:
1. Проанализированы возможности методов ионно-рассеивательной
спектрометрии для исследования состава ПЭО-слоев на алюминиевых сплавах.
Для анализа тонких оксидных слоев на алюминиевой фольге рекомендовано
обратное рассеяние протонов энергии 1—1.5 МэВ, а для изучения более
толстых керамикоподобных покрытий - совместное применение методов
резерфордовского (POP) и ядерного (ЯОР) обратного рассеяния.
2. Впервые проведены исследования светотехнических характеристик
керамических ПЭО-покрытий. Найдено, что диффузная составляющая
отраженного света возрастает монотонно с ростом длины волны в диапазоне
340-1100 нм.
3. Проведены имитационные испытания воздействия факторов
космического пространства на керамические ПЭО-покрытия. Показано, что они
являются более стойкими в отношении воздействия протонов на отражающие
свойства по сравнению с используемыми на практике ТРП и при этом
сохраняют высокие значения микротвердости. Экспериментально показано,
что эрозия ПЭО-слоев под действием потока атомарного кислорода (АК)
является практически незначительной.
4. Экспериментально исследовано влияние воздействия ультразвука в
процессе ПЭО, эффект которого проявляется в утонении (на ~2 мкм) ПЭО-слоя,
предположительно, за счет уменьшения пористости на начальной стадии
формирования оксидного слоя.
Теоретическую значимость работы составляют:
1. Анализ возможностей методов ионно-рассеивательной спектрометрии
для исследования ПЭО-покрытий, в том числе тонких (порядка 1 мкм).
2. Результаты первых исследований стойкости ПЭО-покрытий к
воздействию факторов космического пространства: потоков атомарного
кислорода и пучков протонов.
Практическая значимость:
-
Технологический режим получения тонких ПЭО-слоев оксида алюминия на предварительно подготовленной поверхности алюминиевых фолы без изменения их исходной толщины для создания анодов высокоэффективных электролитических конденсаторов.
-
Методика измерения спектрального апертурного коэффициента отражения на базе серийного спектрофотометрического оборудования для измерений коэффициентов пропускания, для проведения сравнительных исследований отражательной способности непрозрачных покрытий в ближнем УФ, оптическом и ближнем ИК диапазонах длин волн.
-
Экспериментально обнаруженная стойкость ПЭО-покрытий к воздействию потоков заряженных частиц и плазмы, позволяющая успешно применять технологию ПЭО для получения диэлектрических керамических покрытий на металлических деталях в ионно-плазменных устройствах и приборах.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Технологический режим плазменно-электролитического оксидирования в силикатно-щелочном электролите для получения тонких слоев оксидной керамики на алюминиевых фольгах. Результаты измерений состава и структуры полученных образцов методами ионно-рассеивательной спектрометрии.
-
Результаты исследований влияния геометрии расположения электродов на свойства тонких пленок на алюминиевых сплавах. Вывод о том, что
-7 увеличение расстояния между противоэлектродом и образцом приводит к
меньшему содержанию оксида в модифицированном слое.
-
Результаты ультразвукового воздействия (с частотой 22 кГц и 130 кГц) в процессе ПЭО, влияние которого проявляется в уменьшении общей пористости и толщины тонких (5-30 мкм) оксидных ПЭО-слоев.
-
Методика измерения спектрального апертурного коэффициента отражения (СКО), позволяющая проводить сравнительное изучение отражательной способности непрозрачных композиционных покрытий в видимом ближнем УФ, оптическом и ближнем ИК диапазонах.
-
Результаты анализа влияния технологических параметров синтеза и факторов космического пространства на изменение светотехнических характеристик покрытий, полученных на алюминиевых сплавах оксидированием в электролитной плазме.
-
Результаты имитационных испытаний воздействия протонов с энергией 500 кэВ и флюенсом ~ 1016 см"2 на поверхность шлифованных и нешлифованных керамических покрытий на сплаве АМг5. Вывод о том, что ПЭО-покрытия являются стойкими в отношении воздействия протонов на их отражающие свойства и не теряют своей высокой микротвердости.
-
Результаты имитационных испытаний воздействия атомарного кислорода со средней энергией 30 эВ и эквивалентным флюенсом F= 4.3-1020 ион/см2 на ПЭО -покрытия на сплавах АМг5 и Діб. Вывод о том, что их эрозия под действием потока АК является практически незначительной по сравнению с эрозией многих углеродных и полимерных композиционных материалов, применяемых на внешней стороне КА.
Достоверность полученных результатов обеспечивается
использованием современной аппаратуры, надежных и независимых методов исследования, сравнением с результатами тестированных компьютерных программ моделирования взаимодействия заряженных частиц с твердым телом, а также сравнением полученных результатов с литературными данными, полученными при сопоставимых условиях.
-8 Личный вклад автора заключается в самостоятельной разработке
методики и измерениях спектрального апертурного коэффициента отражения шероховатых покрытий, исследованиях свойств ПЭО-слоев, в компьютерном моделировании и аналитических расчетах возможностей методов POP и ЯОР для анализа ПЭО-слоев, разработке технологических процессов синтеза ПЭО-слоев, личном участии в планировании и проведении изложенных в работе экспериментов, исследований и обсуждении полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: XII и XV Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2006, 2009 гг.; Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии - НМТ», Москва, МАТИ, 2006, 2008 гг.; XXXVI и XXXVII международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2006, 2008 гг.; XXXII - XXXV Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения», Москва, МАТИ, 2006-2009 гг.; 8-м Всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», Москва, ФГУП НПО «ОРИОН», 2007 г.; 7-й и 10-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия», МАТИ, 2008, 2011 гг.; Научно-технической конференции «Проблемы термоядерной энергетики и плазменные технологии», Москва, МЭИ, 2009 г.; III и IV Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей», Кострома, КГУ, 2010, 2013 гг.; X и XI Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва, МГУ, 2009, 2011 гг.
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 10 публикациях, в числе которых 3 статьи в издании, указанном в Перечне ВАК, получен 1 патент.
-9 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, заключения и списка литературных источников из 148
наименований. Материал диссертации изложен на 125 с. и содержит 61
рисунок, 11 таблиц и приложение.
