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 | 2 || 4 |

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

-- [ Страница 3 ] --

Для описания трибодесорбции метана и других газов, которые не растворяются и не могут быть окклюдированы в большинстве исследованных материалов, разработана модель генерации газов на основе трибохимических реакций с использованием механоактивационного подхода Журкова, Болдырева, Бутягина, Уракаева и др. Модель учитывает постепенное расходование реагентов и уменьшение их исходной концентрации, что приводит к постепенному снижению потока газовыделения в процессе трения. После прекращения трения уменьшение потока трибодесорбции связано с уменьшением концентрации активных центров, что эквивалентно снижению эффективной константы скорости реакции.

Теоретически исследованы возможные механизмы активации трибодесорбции за счет трибоэлектромагнитных явлений: эмиссии электронов, ионов, возникновения микротрибоплазмы и разработана модель явления.

В четвертой главе («Теоретические основы измерения и экспериментального исследования трибодесорбции») на основе единого систематического подхода сформулированы количественные показатели трибодесорбции газов. На основе сопоставления различных методов рекомендовано использовать метод динамического расширения (или метод откачки через диафрагму). Для этого метода выведены формулы расчета показателей трибодесорбции по измеренным значениям общего и/или парциальных давлений.

Проанализированы физические ограничения метода, связанные с адсорбцией десорбированных газов на стенках вакуумной системы, реадсорбции газов на поверхности зоны трения, а также с переходными процессами адсорбции, десорбции и откачки. На основе совместного решения уравнений баланса адсорбированных газов на поверхности вакуумной системы и газов в объеме вакуумной системы впервые получены полные аналитические решения для давления газов и концентрации газов на поверхности. Показано, что поведение системы газ-поверхность описывается суммой двух экспоненциальных функций времени, имеющих различные постоянные времени, описываемые следующими уравнениями:

, (9)

где , , , V – объем вакуумной камеры, S – быстрота откачки, AVS – площадь поверхности стенок вакуумной камеры. На основе анализа полученных решений установлено, что для паров воды существует значительная разница между значениями первой и второй постоянных времени, что позволяет в приближенных расчетах рассматривать эти два процесса независимо друг от друга. В то же время, для водорода различие значений постоянных времени невелико, следовательно, нельзя ограничиваться рассмотрение только одно процесса, как это принято в большинстве опубликованных работ, а необходимо применять полное решение. Показано, что для улучшения разрешения быстропротекающих десорбционных процессов необходимо улучшать динамические характеристики вакуумной системы путем уменьшения объема вакуумной камеры, увеличения быстроты откачки и применения конструкционных материалов с высокой энергией активации десорбции и малой адсорбционной ёмкостью.

Разработана математическая модель давления в вакуумной системе, имеющей источник трибодесорбции, с учетом адсорбции на стенках. Получены приближенные решения линеаризованной системы уравнений для случая адсорбции первого порядка и постоянного коэффициента прилипания. При помощи преобразования Лапласа получено аналитическое решение системs уравнений в области изображений. Экспериментальная проверка моделей для двух законов поведения трибодесорбции подтвердила верность разработанных моделей. Установлено, что при экспоненциальном законе повышения потока трибодесорбции график давления имеет точку перегиба на фазе роста. При этом если после экспоненциального роста поток трибодесорбции экспоненциально снижается, максимум давления запаздывает по времени относительно максимума потока. Получены аналитические зависимости, связывающие характеристики сигнала давления с характеристиками потока трибодесорбции. Разработаны номограммы для приближенных инженерных расчетов показателей трибодесорбции на основе измеренного сигнала давления.

Рис. 4. Доля молекул, адсорбированных на поверхностях вакуумной системы, от полного количества десорбированных молекул в зависимости от продолжительности трибодесорбции и давления в вакуумной системе (указано цифрами на графиках, [Па]).

Рассмотрено влияние динамических характеристик вакуумметров, масс-спектрометра, усилителей, аналого-цифровых преобразователей на измерение количественных показателей трибодесорбции. При помощи разработанной модели определена доля молекул, адсорбирующихся на стенках вакуумной камеры, от общего количества трибодесорбированных молекул (рис. 4). Установлено, что эта доля не превышает 12% при давлениях до 10-10 Па и только в начальный момент времени. При продолжительности трибодесорбции более 30 с доля молекул, адсорбированных на стенках, не превышает 1%.

Проведен обзор существующего экспериментального оборудования для исследования трибодесорбционных явлений. На основе анализа схем механического воздействия рекомендовано использовать конфигурацию ползун-плоскость, которая позволяет в наибольшей степени снизить посторонние источники газовыделения, а также обладает значительной гибкостью в выборе видов механического воздействия (возвратно-поступательное трение, нереверсивное поступательное трение, удар и др.). Для указанной конфигурации разработаны две новые экспериментальные сверхвысоковакуумные системы, позволяющие реализовывать трение, удар, задавать функцию нормальной нагрузки во времени, измерять поток и состав десорбирующихся газов, реализовывать эксперименты при температурах образца от криогенных до 600 оС в сверхвысоком вакууме или в контролируемой атмосфере при давлении от 10-9 мбар до атмосферного. Эти установки использованы в экспериментальных исследованиях трибодесорбции газов из различных материалов и покрытий, результаты которых представлены ниже. Кроме того приведено описание СВВ установки, использованной для исследования трибодесорбции из реальных механизмов.

Описаны материалы и образцы, использованные в экспериментальном исследовании, приведены методики исследования механических, физических и химических свойств образцов, морфологии поверхности, методы очистки и подготовки образцов, методы нанесения покрытий.

В пятой главе («Экспериментальное исследование спектрального состава, кинетики и динамики трибодесорбции с поверхностей некоторых металлов и металлических сплавов (Ni, Cu, Ti, Ta, коррозионно-стойкая сталь)») представлены результаты экспериментальных исследований спектрального состава газов, десорбирующихся из металлов и металлических сплавов, имеющих различную кристаллическую структуру: никеля, меди, титана, тантала и коррозионно-стойкой стали аустенитного класса (Х18Н10Т и AISI 304). Установлено, что основными десорбирующимися газами для всех исследованных металлов и сплавов были водород и метан. При трении коррозионно-стойкой стали также были обнаружены следы моноксида углерода. Относительное содержание водорода составило: 93-99% для наводороженной меди, 70-98% для никеля, 50-58% для тантала, порядка 90% для коррозионно-стойкой стали. При трении титана и ненаводороженной меди десорбция газов была незначительна, и достоверно определить относительное содержание водорода и метана не представилось возможным. Относительное содержание водорода по-разному изменялось во время трения: возрастало для никеля и тантала и снижалось для меди. Полученные результаты подтверждают гипотезу о том, что растворенные газы (водород) и трибохимические реакции являются основными источниками трибодесорбции из исследованных материалов. Для никеля и стали, имеющих более высокую растворимость по водороду, поток трибодесорбции был выше, чем для меди, имеющей более низкую растворимость, несмотря на одинаковую кристаллическую структуру всех трех материалов (г.ц.к.). Отсутствие значимой трибодесорбции из образцов тантала, несмотря на весьма высокую растворимость в нем водорода, близкую к растворимости в палладии, объяснено высокой летучестью водорода за время, требуемое для достижения уровня вакуума перед началом эксперимента (48 ч.). В экспериментах с предварительно деформированным танталом трибодесорбция была более заметна, что связано с наличием ловушек на дефектах структуры, препятствующих быстрому улетучиванию водорода.

Обнаружено, что во всех случаях в поведении трибодесорбции можно выделить три этапа: I - повышение давления в начале трения, II – установившаяся трибодесорбция и III – переходный процесс снижения потока трибодесорбции после прекращения трения. В зависимости от поведения трибодесорбции на втором этапе дополнительно можно выделить два основных сценария: 1 – наличие пика в первые несколько циклов трения, затем установившийся практически постоянный поток трибодесорбции; 2 – быстрый рост потока до достижения максимума, сопровождающийся последующим довольно быстрым снижением. В дополнение, наблюдается быстропротекающее периодическое изменение потока трибодесорбции, коррелирующее с движением контртела. При помощи разработанных выше моделей рассчитаны кинетические характеристики трибодесорбции и константы переходных процессов.

Вопреки установившемуся мнению показано, что трибодесорбция не связана с трением линейно, а является результатом активации материала при трении. Так, установлено, что поток трибодесорбции не достигает максимального значения в момент начала трения и не прекращает роста при прекращении трения (рис. 5): при продолжительности одного цикла трения стали 18 мс максимум потока достигался через 208-476 мс, а полная продолжительность трибодесорбции составляла свыше 3,5 с.

При помощи метода «меченых атомов» проведены прямые исследования источников трибодесорбции на примере никеля и коррозионно-стойкой стали, подтвердившие, что источниками десорбции водорода является растворенный в объеме материала газ, а не адсорбированные на поверхности молекулы. Образцы материала перед исследованием трибодесорбции насыщались дейтерием методом катодного насыщения в 0,1 н растворе D2SO4 в D2O. В спектре трибодесорбции этих образцов были обнаружены H2 и HD. Молекулярный дейтерий не был зарегистрирован ни при трибодесорбции, ни при термодесорбции при 100 оС.

Рис. 5. Увеличенное изображение пика давления в вакуумной камере вследствие трибодесорбции при одном цикле трения коррозионно-стойкой стали. Продолжительность трения 18 мс, продолжительность роста давления – 400 мс, продолжительность трибодесорбции >3,5 с.

Предложена модель десорбции водорода, дейтероводорода и дейтерия как реакция второго порядка типа Ленгмюра-Хиншельвуда, объясняющая полученные экспериментальные результаты:

Рис. 6. Схема реакций образования газов при трибодесорбции: а) молекулярного водорода, б) дейтероводорода, в) молекулярного дейтерия. ki – константа скорости iй реакции.

Проведено измерение количественных показателей трибодесорбции для исследованных материалов: среднего потока трибодесорбции, максимального потока трибодесорбции, полного количества десорбированного газа, среднего удельного за цикл трения количества десорбированного газа.

Исследована эволюция потока трибодесорбции в зависимости от условий трения (нормальная нагрузка и частота трения), состояния образцов и содержания водорода. Поведение графиков зависимости полного количества десорбированного водорода от времени при длительном трении совпадает с поведением, предсказанным моделью транспорта водорода подвижными дислокациями (рис. 3). В экспериментах с длительным трением установлено, что поток трибодесорбции имеет тенденцию к постепенному снижению. Увеличение потока трибодесорбции на 30% происходило в результате выдержки образца в покое в вакуумной камере в течение 12 часов и более либо в результате нагрева выше 100 оС в течение 1 часа. Установлено отсутствие прямой зависимости между нормальной нагрузкой, продолжительностью трения и величиной потока трибодесорбции. Однако для всех образцов не зависимо от исходного состояния и условий трения наблюдалась линейная зависимость между количеством десорбированного водорода (и дейтероводорода) и объемом пластически деформированного (или изношенного, поврежденного материала) (рис. 7). Эти результаты позволили распространить модель Крагельского, устанавливающую связь объема активной зоны трения и количества десорбированного газа для углеродистых и конструкционных сталей, на исследованные в данной работе материалы. Коэффициент пропорциональности между количеством десорбированного газа и параметром, характеризующим объём активной зоны трения, является инвариантой материала, зависящей от вида материала и содержания свободного растворенного газа.

Впервые показано, что условия нагружения в указанном диапазоне не влияют (или незначительно влияют) на выход водорода из никеля и стали. Установлено, что количество десорбированного водорода не линейно зависит от продолжительности катодного наводораживания: вначале количество десорбированного водорода растет, а затем снижается в связи с образованием связанных форм водорода (гидридов, ловушек и т.п.).

а) б)
Рис. 7. Зависимость количества десорбированного водорода от площади поперечного сечения активной зоны трения никеля (а) и коррозионно-стойкой стали (б).


Pages:     | 1 | 2 || 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.