авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Научные основы управления процессами трибодесорбции газов в узлах трения механизмов сверхвысоковакуумного оборудования электронной техники и нанотехнологий

-- [ Страница 2 ] --

Решение проблемы снижения генерации загрязнений механическими узлами возможно 1) конструктивным путем, заключающимся в изменении конструкции механизмов с целью уменьшения или полного устранения поверхностей трения в вакууме (системы магнитной левитации, магнито- и электрореологические приводы, механизмы управляемой упругой деформации), либо 2) трибологическим путем, состоящим в усовершенствовании материалов, покрытий и условий трения. Второй путь представляется наиболее перспективным, поскольку позволяет использовать простые и более дешевые «классические» конструктивные схемы транспортных магистралей, к тому же второй путь не исключает и применения новых конструктивных решений.

Несмотря на важность решения проблемы механо- и трибостимулированной десорбции газов из материалов и покрытий, к началу настоящей работы отсутствовало не только четкое представление о механизмах и источниках трибодесорбции из различных материалов и покрытий, но даже не имелось однозначной терминологии и методологии исследований. Приведен краткий обзор опубликованных результатов экспериментальных исследований трибодесорбции из некоторых сталей, полимерных материалов (политетрафторэтилена и полиимида), минералов (кальцита), твердосмазочных материалов на основе дисульфида молибдена с различными связующими, а также покрытий мягких металлов (серебро, свинец). Накопленные экспериментальные факты еще не получили всестороннего теоретического рассмотрения с использованием междисциплинарного подхода и количественных моделей. Остается малоизученным вопрос о характеристиках, механизмах и источниках трибодесорбции газов из современных материалов и покрытий трибологического назначения, использующихся при создании вакуумных механизмов, в том числе металлов различной кристаллической структуры, вулканизатов синтетических каучуков, керамических, углеродных и металлических нанокластерных покрытий. Необходимо определить атермические механизмы трибодесорбции, поскольку существующая термическая модель трибодесорбции не в состоянии объяснить десорбцию газов в малонагруженных и миниатюрных прецизионных парах трениях.

В конце главы сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе («Специфика трибодесорбции как трибоэмиссионного явления») сформулированы основные особенности и закономерности активации трибодесорбции как разновидности трибоэмиссионного процесса в рамках единого методологического подхода с позиций физико-химической механики. Показано, что отличительными характеристиками трибосопряжения по сравнению с другими формами механического взаимодействия являются структурная иерархия вплоть до макроуровня и стационарность или цикличность взаимодействия, и что эти факторы являются определяющими для возникновения особых диссипативных структур и явлений самоорганизации трибоэмиссионных процессов. На основе обобщенного схемы трибоэмиссионных явлений П. Ю. Бутягина показаны основные траектории, по которым происходит трибодесорбция газов: 1) непосредственно при разрушении материала вследствие выделения растворенных и окклюдированных газов; 2) как вторичный процесс выделения газообразных продуктов деполимеризации и деструкции материала вследствие разрыва химических связей – образования парамагнитных центров – образования свободных радикалов; 3) как вторичный процесс, вследствие диссоциации молекул в газовом разряде, вызванном образованием некомпенсированного заряда при разрушении материала, а также эмиссией электронов и ионов. Таким образом, в активацию трибодесорбции газов могут быть вовлечены как процессы пластической деформации, образование и движение дислокаций и др. дефектов, так и электромагнитные и химические процессы. Описаны новые механизмы активации трибодесорбции и трибоэмиссионных явлений в целом, не требующие пластической деформации и разрушения материала – микротрибоплазма и структурно обусловленная ад- десорбция.

На основе решения тепловой задачи в зоне трения установлена прямая зависимость наибольшей температуры поверхности зоны трения от комплекса RrVt (Rr - характерный размер фактической зоны контакта, - коэффициент трения, Vt – скорость скольжения) (рис. 1). Показано, что для слабонагруженных и миниатюрных пар трения, характерных для прецизионных направляющих, манипуляторов и др. механизмов оборудования производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники, наибольшее повышение температуры в зоне трения не превышает 10о С, что недостаточно для термической активации трибодесорбционных процессов.

Рис. 1. Зависимость максимальной температуры на поверхности зоны трения от значений комплекса RrVt для следующих пар материалов при сухом трении: 1 – ШХ15 – керамика Al2O3, 2 – алмаз - сапфир, 3 - 02Х18Н10 - керамика Al2O3, 4 - ШХ15 – 02Х18Н10, 5 – натриево-щелочное стекло – алмаз, 6 - ШХ15 – фторопласт. Рассчитано для кругового контакта при контактном напряжении равном твердости более мягкого материала. Жирная вертикальная линия указывает нижнюю границу значений комплекса для традиционных макроскопических механизмов, а серая зона в правом верхнем углу, обозначенная белыми стрелками, – область возможных значений температур для традиционных механизмов.

Рассмотрены возможные атермические механизмы активации трибодесорбции в зоне трения: удаление оксидных пленок и покрытий; изменение энергетического состояния поверхности; увеличение площади поверхности и ее корругация; образование поверхностных и объемных дефектов; образование неоднородных полей механических напряжений и деформаций; движение дефектов; изменение реакционной способности материала; генерация электрических полей; эмиссия электронов, ионов, триболюминесценция; микротрибоплазма.

В третьей главе («Теоретические основы трибодесорбционных процессов в миниатюрных и слабонагруженных узлах трения сверхвысоковакуумных механических систем оборудования производства электронной техники») разработана модель массопереноса газа в системе «твердое тело – поверхность – вакуум» с учетом специфики трибологического сопряжения, термических, деформационных и деструкционных процессов в зоне трения. Совместно с задачей десорбции решается задача трибостимулированной диффузии газов в кристаллической решетке, задача транспорта примесных атомов газов дислокациями, истечения газов из микроскопических пор и механохимических реакций.

Общая система уравнений для определения потока трибодесорбции на основе баланса потоков газа на поверхности зоны трения без учета потока растворения адсорбированных атомов записана в следующем виде:

, (1)

где – коэффициент покрытия поверхности адсорбированным газом, nm – поверхностная плотность адсорбционных центров, Qina – удельный поток внутренней адсорбции (т.е. переход растворенных атомов и молекул в адсорбированное состояние), Qad – удельный поток адсорбции, Qd – удельный поток десорбции, Ea,ina – энергия активации выхода атома газа на поверхность, ina – константа скорости внутренней адсорбции, R – универсальная газовая постоянная, Ts – температура поверхности, - концентрация растворенных атомов непосредственно под поверхностью (при z=0), p – давление газа, s0 - начальный коэффициент прилипания при нулевом покрытии, n – порядок адсорбции, m – масса молекулы, k – постоянная Больцмана, Tg – температура газа, Kd – константа десорбции, Ed – энергия активации десорбции, n – кинетическая константа.

Система (1), дополненная соответствующим уравнением, определяющим fc(t) через параметры диффузии или транспорта молекул газа в объеме, полностью описывает все процессы газообмена в зоне трения. Поскольку в СВВ переход адсорбированных атомов в растворенное состояние пренебрежимо мал, в первом приближении можно считать, что процессы диффузии и транспорта атомов газа в объеме не зависят от адсорбционно-десорбционных процессов на поверхности, что позволяет решать задачи газообмена на поверхности и транспорта газа в объеме независимо друг от друга. Такой подход, в отличие от предыдущих моделей, позволяет значительно упростить решение системы (1).

Впервые получены решения системы (1) в общем виде, для первого и второго порядка адсорбции, а также для двух частных случаев:

1) fc(t)= fcс=сonst; n=1;

, (2)

где параметры скорости внутренней адсорбции, адсорбции и десорбции , st,d,1 – постоянная времени переходного процесса:

; (3)

2) fc(t)= fcс=сonst; n=2

. (4)

Для решения системы (1) в случае, когда fc(t)const, предложен приближенный метод путем аппроксимации fc(t) кусочно-постоянной функцией.

На основе анализа литературных данных определены наиболее характерные диапазоны изменения параметров, входящих в (2), для конструкционных материалов и покрытий, использующихся в вакуумных механизмах, и определены диапазоны варьирования параметров скорости трех основных процессов на поверхности (рис. 2). Параметр скорости внутренней адсорбции значительно превышает параметры скорости двух других процессов, таким образом, именно внутренняя адсорбция определяет скорость трибодесорбционных процессов. Этот вывод указывает на растворенные и окклюдированные в объеме материала газы как на основной источник трибодесорбции. С учетом этого справедливы следующие зависимости для постоянной времени:

, (5)

и равновесного коэффициента покрытия:

. (6)

Уравнение (2) в отсутствие внутренней адсорбции приходит к уравнению изотермы Ленгмюра, что указывает на непротиворечивость предложенной модели существующей модели адсорбции Ленгмюра.

Влияние фрикционного воздействия на поток десорбции рассмотрено в рамках кинетической теории через изменение одного или нескольких параметров, входящих в уравнения (1). Детально рассмотрены три основных возможных фактора фрикционного воздействия на десорбцию газов с поверхности:

а) изменение времени нахождение молекулы газа в адсорбированном состоянии;

б) изменение концентрации адсорбированных молекул на поверхности;

в) изменение количества адсорбционных центров на поверхности трения.

Рис. 2. Диаграмма диапазонов изменения параметров скорости процессов внутренней адсорбции, адсорбции и десорбции

Показано, что такие возможные факторы, как уменьшение активационного барьера десорбции, повышение температуры в зоне трения, увеличение константы скорости десорбции, скорости перехода атомов из растворенного в адсорбированное состояние не могут в полной мере объяснить весь комплекс явлений трибодесорбции либо по причине количественных различий теоретически рассчитанных и экспериментальных потоков трибодесорбции, либо характера поведения трибодесорбции.

Результаты моделирования потока трибодесорбции на основе (2) показали, что изменение концентрации адсорбированных атомов и молекул за счет внутренней адсорбции обеспечивает как достаточно высокую скорость переходных процессов, так и достаточную величину потока, и в полной мере объясняет экспериментальные данные.

Рассмотрены механизмы воздействия трения на диффузию и транспорт газов в объеме зоны фрикционного воздействия, в том числе: термически активированная диффузия; диффузия в поле напряжений кристаллической решетки; взаимодействие растворенных атомов с неподвижными ловушками; взаимодействие растворенных атомов с подвижными ловушками; фазовые превращения в материале. На основе моделирования показано, что все перечисленные процессы кроме термической диффузии могут способствовать транспорту газа из объема к поверхности в миниатюрных и слабонагруженных узлах трения. Согласно проведенным расчетам, возникновение градиента механических напряжений в поверхностном слое коррозионно-стойкой стали в диапазоне 1012 - 2,51014 Па м-1 приводит к возникновению удельного диффузионного потока 1017 – 1023 м2с1, что сопоставимо по величине с экспериментально измеренными значениями. Также показано, что удаление диффузионных барьеров способно привести к заметному повышению десорбционного потока: при удалении с поверхности алюминия оксидного слоя толщиной 0,3 нм полное количество десорбированного водорода увеличивается на 13%. Постоянные времени этих процессов лежат в диапазоне 1-100 с, что также не противоречит экспериментальным наблюдениям.

Другим важным механизмом переноса растворенного водорода из объема материала к поверхности зоны трения является транспорт подвижными дислокациями. На основе упрощенной модели Тьена установлено, что расстояние, на которое переносятся примесные атомы водорода движущимися дислокациями в коррозионно-стойкой стали и никеле всегда превышает расстояние, которое преодолевают эти атомы за счет термической диффузии, если продолжительность деформирования превышает 10-4 с, т.е. практически всегда, когда речь идет о вакуумных механизмах. На основе упрощенного подхода Гилмана разработана кинетическая модель транспорта примесных атомов газов подвижными дислокациями: удельный поток атомов газа к единице поверхности за счет транспорта дислокациями:

(7)

где

, (8)

0 – исходная плотность мобильных дислокаций, MТ – коэффициент размножения дислокаций, Hf – коэффициент упрочнения, Gb - потенциал притяжения для атомов газа в области дислокации, D – коэффициент диффузии, fz – глубина активной зоны трения, rc - эффективный радиус дислокации, t – время, – скорость деформации, CL – концентрация газа в окружающей кристаллической структуре в отсутствие дислокаций. Зависимости безразмерного количества перемещенного газа к единице поверхности как функция времени при разных значениях параметров B1, B2 показаны на рис. 3. Эти графики весьма точно описывают поведение трибодесорбции, исследованное в экспериментах с никелем, коррозионно-стойкой сталью и керамическими покрытиями, а именно: вначале скорость десорбции велика, затем достигает максимума и медленно снижается. Количественные характеристики потока газов, переносимого дислокациями также соответствует экспериментально измеренным значениям. Все это указывает на то, что транспорт растворенных газов движущимися дислокациями в объеме активной зоны трении, является одним из наиболее вероятных механизмов трибодесорбции.

Путем моделирования истечения газов из микроскопических пор на основе подходов Кнудсена, Жданова, Ролдугина и др. показано, что ни количественно, ни качественно истечение газа из микроскопических пор не может объяснить экспериментально наблюдаемое поведение трибодесорбции газов.

Рис. 3. Зависимость безразмерного комплекса от времени при разных значениях параметров B1, B2=10 с-1.


Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.