eng
Выпуск #6/2019
С. Шиляев, С. Постнов
Обработка металлов и диэлектриков аргоновой СВЧ-плазмой атмосферного давления
Обработка металлов и диэлектриков аргоновой СВЧ-плазмой атмосферного давления
Просмотры: 1410
Рассмотрены результаты обработки различных материалов аргоновой СВЧ-плазмой, которые были получены на оборудовании ООО «Руднев-Шиляев». Отмечено, что проведенные исследования показывают эффективность применения СВЧ-плазмы атмосферного давления для обработки поверхностей перед созданием адгезионных соединений, а также для обработки образцов перед спеканием в порошковой металлургии.
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.187.6.150.153
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.187.6.150.153
Теги: atmospheric pressure microwave plasma dielectrics metals диэлектрики металлы свч-плазма атмосферного давления
Обработка металлов и диэлектриков аргоновой СВЧ‑плазмой атмосферного давления
С. Шиляев 1, С. Постнов 2
УДК 533.9.07 | ВАК 05.27.06
Качество подготовки поверхности перед адгезионным соединением определяет его прочность, а также долговечность конечного изделия. К настоящему времени большое распространение в обработке материалов получили методы плазменной обработки, использующие вакуумные камеры и установки плазменного барьерного разряда. Применение СВЧ‑плазмы атмосферного давления имеет много преимуществ по сравнению с этими методами, а также с традиционными жидкостными методами подготовки поверхности материалов. Для атмосферной аргоновой СВЧ‑плазмы не требуется вакуумная камера, плазму можно генерировать при небольших мощностях, и она имеет большой выход продуктов плазмохимии, поскольку аргоновая плазма атмосферного давления допускает работу как в чисто аргоновой атмосфере, так и в потоке аргона с подмешиванием воздуха, водяных паров и другого необходимого сопутствующего газа (например, кислород, азот, водород и т. д.). В данной статье рассматриваются результаты обработки различных материалов аргоновой СВЧ‑плазмой, которые были получены на оборудовании ООО «Руднев-Шиляев».
Для исследования влияния атмосферной СВЧ‑плазмы на поверхность материалов применялось несколько методов: гониометрический метод, метод определения поверхностного натяжения калиброванными жидкостями, исследование морфологии поверхности при помощи атомно-силового микроскопа, метод электронной микроскопии. Объектами исследования служили материалы, указанные в табл. 1.
Поверхности металлов и диэлектриков обрабатывались на установке атмосферной аргоновой СВЧ‑плазмы, в которой предусмотрены манипулятор и перемещающийся стол с возможностью выбора скорости перемещения (рис. 1). Гранулы материалов обрабатывались в плазменной установке проточного типа с реактором, изолированным от внешней среды, где осуществлялось движение материала через плазменный поток.
В ходе работ были выбраны оптимальные режимы для обработки поверхностей металлов и диэлектриков, а также гранул.
Ниже представлены данные, полученные после обработки в оптимальных режимах. На рис. 2 приведены значения равновесного краевого угла смачивания у обработанных и необработанных поверхностей металлов. На рис. 3 и рис. 4 показаны, соответственно, значения равновесного краевого угла смачивания и поверхностного натяжения у обработанных и необработанных поверхностей диэлектриков.
Примеры результатов исследования на атомно-силовом микроскопе морфологии поверхностей необработанной и обработанной полиимидной пленки представлены на рис. 5 и 6 соответственно.
Обработанные в плазменной установке проточного типа и необработанные образцы гранул диаметром 50–150 мкм спекали при высокой температуре. После этого полученные материалы исследовались на электронном микроскопе методом обратно отраженных электронов. Как видно из рис. 7 и 8, при одинаковой температуре и времени выдержки удалось добиться лучшего спекания гранул после воздействия СВЧ‑плазмой.
Были также обнаружены явные различия в содержании кислорода в областях ореолов, формирующихся вокруг гранул при спекании. Темные области на поверхности (см. рис. 7 и 8) означают наличие кислородных соединений. Видна разница между образцами с обработанными и необработанными гранулами и тенденция к уменьшению в результате обработки количества кислорода на поверхности в местах спекания гранул. Отсутствие на поверхности кислородных соединений уменьшает риски разрушения образцов.
Еще одно возможное применение аргоновой СВЧ‑плазмы – сфероидизация металлов.
Проблема создания сложных форм готовых изделий из тугоплавких материалов заключается в нетекучести материала исходной формы и его непластичности. Используя подобранные режимы плазменной установки проточного типа, мы смогли достичь сфероидизации исходного материала (рис. 9). Удалось получить в результате сфероидизации гранулы размером 20–60 мкм в количестве до 90% от исходного материала. Альтернативных способов сфероидизации тугоплавких интерметаллидов нет.
Рассмотрим также влияние плазменной обработки на диэлектрические параметры керамической шихты. Обрабатывая несколько различных образцов шихты в разных режимах, нам удалось добиться изменения по всем диэлектрическим параметрам. Тангенс угла потерь образца шихты № 1 при стандартной температуре 20 °C слабо изменяется в результате обработки; при увеличении температуры до 100 °C видно, что тангенс угла потерь у обработанного образца остается практически неизменным во всем диапазоне частот, а у необработанного – увеличивается на порядок с уменьшением частоты (рис. 10). Для образца № 2 мы добились стабилизации параметров в области низких частот: от 0,5 Гц до 100 кГц (рис. 11).
Отметим, что при наклеивании на поверхность полиимида датчиков возможны проблемы с адгезией. Эту задачу необходимо решать, не создавая анизотропию при активации поверхности. Обработку СВЧ‑плазмой можно использовать для подготовки поверхности с изменяемой геометрией. Данный способ не вносит анизотропию в обрабатываемую поверхность.
Таким образом, проведенные исследования показывают эффективность применения СВЧ‑плазмы атмосферного давления для обработки поверхностей перед созданием адгезионных соединений, а также для обработки образцов перед спеканием в порошковой металлургии. Использование такой плазмы для обработки металлов и диэлектриков позволяет повысить технологичность изготовления конечных изделий.
Более подробную информацию можно найти на сайте ООО «Руднев-Шиляев»: www.rudshel.ru. ●
С. Шиляев 1, С. Постнов 2
УДК 533.9.07 | ВАК 05.27.06
Качество подготовки поверхности перед адгезионным соединением определяет его прочность, а также долговечность конечного изделия. К настоящему времени большое распространение в обработке материалов получили методы плазменной обработки, использующие вакуумные камеры и установки плазменного барьерного разряда. Применение СВЧ‑плазмы атмосферного давления имеет много преимуществ по сравнению с этими методами, а также с традиционными жидкостными методами подготовки поверхности материалов. Для атмосферной аргоновой СВЧ‑плазмы не требуется вакуумная камера, плазму можно генерировать при небольших мощностях, и она имеет большой выход продуктов плазмохимии, поскольку аргоновая плазма атмосферного давления допускает работу как в чисто аргоновой атмосфере, так и в потоке аргона с подмешиванием воздуха, водяных паров и другого необходимого сопутствующего газа (например, кислород, азот, водород и т. д.). В данной статье рассматриваются результаты обработки различных материалов аргоновой СВЧ‑плазмой, которые были получены на оборудовании ООО «Руднев-Шиляев».
Для исследования влияния атмосферной СВЧ‑плазмы на поверхность материалов применялось несколько методов: гониометрический метод, метод определения поверхностного натяжения калиброванными жидкостями, исследование морфологии поверхности при помощи атомно-силового микроскопа, метод электронной микроскопии. Объектами исследования служили материалы, указанные в табл. 1.
Поверхности металлов и диэлектриков обрабатывались на установке атмосферной аргоновой СВЧ‑плазмы, в которой предусмотрены манипулятор и перемещающийся стол с возможностью выбора скорости перемещения (рис. 1). Гранулы материалов обрабатывались в плазменной установке проточного типа с реактором, изолированным от внешней среды, где осуществлялось движение материала через плазменный поток.
В ходе работ были выбраны оптимальные режимы для обработки поверхностей металлов и диэлектриков, а также гранул.
Ниже представлены данные, полученные после обработки в оптимальных режимах. На рис. 2 приведены значения равновесного краевого угла смачивания у обработанных и необработанных поверхностей металлов. На рис. 3 и рис. 4 показаны, соответственно, значения равновесного краевого угла смачивания и поверхностного натяжения у обработанных и необработанных поверхностей диэлектриков.
Примеры результатов исследования на атомно-силовом микроскопе морфологии поверхностей необработанной и обработанной полиимидной пленки представлены на рис. 5 и 6 соответственно.
Обработанные в плазменной установке проточного типа и необработанные образцы гранул диаметром 50–150 мкм спекали при высокой температуре. После этого полученные материалы исследовались на электронном микроскопе методом обратно отраженных электронов. Как видно из рис. 7 и 8, при одинаковой температуре и времени выдержки удалось добиться лучшего спекания гранул после воздействия СВЧ‑плазмой.
Были также обнаружены явные различия в содержании кислорода в областях ореолов, формирующихся вокруг гранул при спекании. Темные области на поверхности (см. рис. 7 и 8) означают наличие кислородных соединений. Видна разница между образцами с обработанными и необработанными гранулами и тенденция к уменьшению в результате обработки количества кислорода на поверхности в местах спекания гранул. Отсутствие на поверхности кислородных соединений уменьшает риски разрушения образцов.
Еще одно возможное применение аргоновой СВЧ‑плазмы – сфероидизация металлов.
Проблема создания сложных форм готовых изделий из тугоплавких материалов заключается в нетекучести материала исходной формы и его непластичности. Используя подобранные режимы плазменной установки проточного типа, мы смогли достичь сфероидизации исходного материала (рис. 9). Удалось получить в результате сфероидизации гранулы размером 20–60 мкм в количестве до 90% от исходного материала. Альтернативных способов сфероидизации тугоплавких интерметаллидов нет.
Рассмотрим также влияние плазменной обработки на диэлектрические параметры керамической шихты. Обрабатывая несколько различных образцов шихты в разных режимах, нам удалось добиться изменения по всем диэлектрическим параметрам. Тангенс угла потерь образца шихты № 1 при стандартной температуре 20 °C слабо изменяется в результате обработки; при увеличении температуры до 100 °C видно, что тангенс угла потерь у обработанного образца остается практически неизменным во всем диапазоне частот, а у необработанного – увеличивается на порядок с уменьшением частоты (рис. 10). Для образца № 2 мы добились стабилизации параметров в области низких частот: от 0,5 Гц до 100 кГц (рис. 11).
Отметим, что при наклеивании на поверхность полиимида датчиков возможны проблемы с адгезией. Эту задачу необходимо решать, не создавая анизотропию при активации поверхности. Обработку СВЧ‑плазмой можно использовать для подготовки поверхности с изменяемой геометрией. Данный способ не вносит анизотропию в обрабатываемую поверхность.
Таким образом, проведенные исследования показывают эффективность применения СВЧ‑плазмы атмосферного давления для обработки поверхностей перед созданием адгезионных соединений, а также для обработки образцов перед спеканием в порошковой металлургии. Использование такой плазмы для обработки металлов и диэлектриков позволяет повысить технологичность изготовления конечных изделий.
Более подробную информацию можно найти на сайте ООО «Руднев-Шиляев»: www.rudshel.ru. ●
Отзывы читателей
