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 | 3 ||

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

-- [ Страница 4 ] --

В шестой главе («Основные характеристики и источники десорбции газов при трении вулканизатов синтетических каучуков») приведены результаты экспериментальных исследований трибодесорбции из вулканизатов синтетических каучуков и композиций: этилен-пропилен-диенового, бутадиен-нитрильного ненасыщенного и насыщенного, полиэфируретанового (Эстан 58300), композиции полипропиленового, этилен-пропилен-диенового и хлорбутилового каучуков (Vegaprene®). Для всех исследованных эластиков в составе десорбирующихся газов наблюдались водород, метан, моноксид углерода и (за исключением Эстан 58300) пары воды. При трении этилен-пропилен-диенового, бутадиен-нитрильного каучуков и Эстан 58300 дополнительно наблюдалась десорбция этилена и/или пропилена, а также других неустановленных алкеновых и алкановых групп. Масс-спектры газов, выделяющихся при нагреве исследованных вулканизатов до 150 оС, качественно совпадают с масс-спектрами трибодесорбирующихся газов, а также с масс-спектрами газов, выделяющихся при комнатной температуре. Низкомолекулярные соединения: метан, монокись и диоксид углерода, пары воды, а также, возможно, неполимеризованные мономеры основного полимера и летучие компоненты примесей, - могут изначально быть растворены (окклюдированы) в полимерной матрице, адсорбированы на частицах сажи, либо образовываться в результате трибо- или термостимулированных реакций. Диоксид углерода, не входя в состав полимера, может находиться в адсорбированном состоянии на включениях углерода, мелкодисперсных частицах оксидов кремния, титана, цинка и других добавок, используемых при производстве вулканизатов. Происхождение метана и бутилена (винила) не совсем ясно.

 а) Схема источников трибодесорбции-24

Рис. 8. а) Схема источников трибодесорбции из частиц наполнителя при трении. б) Отсутствие трибодесорбции из вулканизата при прокалывании и разрыве.

Установлено, что в отличие от металлов, трибодесорбция из исследованных вулканизатов происходила только при трении при умеренных нагрузках, не приводивших к разрушению эластиков в зоне трения. В то же время, прокалывание и разрезание этих эластиков в вакуумной камере не приводило к заметному выделению газов.

Предложена новая модель трибодесорбции из саженаполненных вулканизатов синтетических каучуков, предполагающая, что основными источниками трибодесорбции являются частицы сажи, служащие наполнителем и обладающие высокой адсорбционной активностью. При трении (рис. 8. а) происходит деформация частиц наполнителя, что приводит к десорбции газа. В то же время, при разрезании и прокалывании эластомера разрушение локализуется преимущественно в полимерной матрице, не затрагивая частиц наполнителя (рис. 8. б), в результате чего поток трибодесорбции существенно ниже, чем при трении.

В седьмой главе («Экспериментальное исследование спектрального состава, кинетики и динамики трибодесорбции тонкопленочных трибологических покрытий») приведены результаты экспериментальных исследований трибодесорбции газов из тонкопленочных покрытий трибологического назначения, использующихся или перспективных для использования в вакуумных механизмах: мягких металлов (медь и нанокластерная медь), аморфного алмазоподобного углерода, керамик (TiN:Ag/Si, двухслойные покрытия WC/TiN/Si и BCN/Ti/Si).

Установлено, что спектральный состав трибодесорбирующихся газов из исследованных покрытий, в целом подобен составу газов, выделяющихся при трении металлов, за исключением покрытий, полученных методом физического осаждения из плазмы в среде аргона. Для последних в спектре десорбирующихся газов присутствовал аргон, источником которого являлись молекулы, окклюдированные в покрытии в процессе нанесения. Основными источниками трибодесорбции являлись газы, растворенные и окклюдированные в покрытии, газы, образующиеся в результате трибохимических реакций, и, в случаях нанокластерных покрытий, газы, адсорбированные в нанопорах между нанокластерами. Отмечено существенное отличие соотношения метана и водорода в спектрах трибодесорбции тонкопленочных покрытий по сравнению с металлическими медными образцами: относительное содержание метана было значительно выше, что объяснено наличием примесей на поверхности покрытий, приводящих к образованию метана в результате трибохимических покрытий. Содержание метана было особенно высоким (100 - 85 %) для покрытий меди на коррозионно-стойкой стали, что связано с присутствием паров масла в камере нанесения, откачиваемой диффузионным насосом. При трении нанокластерного покрытия меди с размером кластеров 25-170 нм помимо водорода и метана в масс-спектре десорбирующихся газов присутствовал моноксид углерода. Источником СО, видимо, являются молекулы, адсорбированные из атмосферы в нанопорах между кластерами.

При трении твердых керамических покрытий TiN:Ag/Si и WC/TiN/Si максимальный поток трибодесорбции составил (2-3)10-8 мбар л с-1, поведение трибодесорбции носило хаотический характер с отдельными пиками. Средний поток трибодесорбции для WC/TiN/Si был ниже, чем для TiN:Ag/Si и преимущественно только в самом начале трения. Соотношение между содержанием водорода и метана было 60-80% к 20-40%. Износ этих покрытий был незначителен. При продолжительном трении в некоторых случаях наблюдалось полное удаление покрытия в зоне трения и обнажение подслоя TiN или подложки, однако это не приводило ни к качественному, ни к количественному изменению трибодесорбции газов.

При трении аморфного алмазоподобного углерода десорбирующиеся газы включали водород, метан и, для покрытий, полученных в среде аргона, аргон. Статистический анализ масс-спектров трибодесорбции при помощи разработанной методики не выявил присутствия метильного радикала в десорбирующихся газах.

Существенно отличным был спектр (рис. 9) и поведение трибодесорбции для двухслойного покрытия BCN/Ti/Si. Помимо водорода, метана и аргона, присутствовали пары воды и кислород, источником которых могли быть атмосферные газы, окклюдированные в нанопорах покрытия во время хранения покрытий в атмосфере.

Рис. 9. Дифференциальный спектр трибодесорбции газов из двухслойного покрытия BCN/Ti/Si.

Исследована корреляция износа и повреждения покрытия в зоне трения и динамики трибодесорбции. Установлено, что необходимым, но не достаточным условием для возникновения трибодесорбции является какой-либо вид повреждаемости покрытия: износ, отслаивание, растрескивание, пластическая деформация, и т.п. Поток трибодесорбции был тем выше, чем интенсивнее повреждаемость материала в зоне трения: при изменении режима повреждаемости от абразивного износа к растрескиванию и отслаиванию покрытия поток трибодесорбции возрастал в 30-50 раз (для BCN/Ti/Si). При трении аморфного алмазоподобного углерода трибодесорбция не наблюдалась на начальном этапе трения во время приработки и формирования пленки переноса на контртеле, а также на этапе сверхнизкого трения, но была интенсивной на этапе повреждаемости.

В восьмой главе («Основы моделирования трибодесорбционных явлений в микротрибоконтакте») разработаны феноменологические модели трибодесорбции: элементарная, континуальная и дискретная, - для описания явления, соответственно, в элементарном объеме материала, при непрерывном трении (односвязная область контакта) и при трении шероховатых поверхностей. Введены единичные функции трибодесорбции:

- удельная по объему: (10 а)

- удельная по площади: , (10 б)

где Qst,d,dV – количество молекул (или молей) десорбированного газа из объема активной зоны трения dV, Qst,d,dA - количество молекул (или молей) десорбированного газа с активированных или вновь образованных поверхностей площади dA.

Физический смысл функций (10 а) и (10 б) - отклик трибодесорбции на деформацию или разрушение единичного объема материала или образование единичной активированной (или вновь образованной) поверхности. Единичная функция трибодесорбции представляет собой эмпирическую обобщенную характеристику, являющуюся суммой различных сорбционных процессов в зоне контакта, а также является импульсной характеристикой трибодесорбционной системы, входом которой является функция деформирования или разрушения материала при трении, а выходом – поток трибодесорбции за счет деформации и разрушения материала. Удельные единичные функции трибодесорбции определены экспериментально с использованием ударного нагружения для никеля, коррозионно-стойкой стали и углеродных покрытий.

Полный поток трибодесорбции определяется как свертка удельной единичной функции трибодесорбции и функции скорости вовлечения материала в активную зону трения:

- при пластической деформации, разрушении и износе:

, (11 а)

- при хрупком разрушении и растрескивании:

, (11 б)

где Rdef(t) – скорость вовлечения материала в активную зону трения, Rfra(t) – скорость активирования или образования новых поверхностей.

В общем случае:

. (12)

При непрерывном трении с односвязной областью контакта функция скорости вовлечения материала в активную зону трения определяется на основе решения контактной задачи для заданной геометрии контртела. Для сферического контртела получена приближенная формула:

, (13)

где aa(t) – функция, описывающая ширину зоны контакта во время трения, Vfr(t) – скорость трения.

Для дискретного контакта шероховатых поверхностей:

, (14)

где dVpi – средний объем микронеровностей, деформируемый при контактирования в условиях пластического контакта в момент времени ti, H – функция Хэвисайда, dti – продолжительность деформирования участка микронеровностей.

В девятой главе («Прикладные аспекты практического использования результатов исследования трибодесорбционных явлений») на основе обобщения полученных результатов сформулированы принципы управления трибодесорбционными явлениями как на стадии проектирования внутрикамерных механизмов СВВ оборудования, так и на стадии их эксплуатации. Определены основные цели управления трибодесорбционными процессами в различных приложениях, состоящие в минимизации или максимизации потока трибодесорбции, полного количества десорбированного газа или удельного потока десорбированного газа при каком-либо виде повреждения материала в зоне трения. Сформулированы стратегии достижения этих целей на основе конструктивного и технологического подходов с учетом особенностей трибодесорбции из различных материалов. В частности, технологический подход включает в себя рекомендации по проведению обезгаживающих прогревов, по регламенту функционирования механизмов, по технологиям создания трибологических покрытий и их предварительной обработки. На основе разработанных феноменологических моделей трибодесорбции впервые создан математический аппарат системы вакуумной диагностики внутрикамерных механических узлов. В основе этого математического аппарата лежит решение обратной задачи нахождения объема или площади поверхности поврежденного материала по известным удельным единичным функциям трибодесорбции и измеренному потоку трибодесорбции. Найдено решение задачи с использованием преобразования Лапласа:

для пластической деформации, износа и разрушения:

, (15)

и для хрупкого повреждения:

, (16)

где буквой L обозначено изображение по Лапласу.

Описан разработанный и запатентованный метод для определения содержания свободных газов и летучих веществ в материалах и покрытиях с использованием трибодесорбции.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1) Показано, что сдерживающими факторами на пути внедрения магистрально-модульных систем и кластерного оборудования помимо их высокой стоимости (более 10 млн. долларов США) являются нерешенность проблем обеспечения надежности (наработка на отказ > 5760 часов) и качества технологической среды (парциальные давления кислорода, метана, монокиси и двуокиси углерода, соединений серы < (58)10-11 Па). Наиболее критическая ситуация по надежности и чистоте среды наблюдается для механических устройств и транспортных систем, имеющих узлы трения, функционирующие в вакууме, вследствие повышенного и нестабильного трения, износа и трибодесорбции химически активных газов.

2) Установлено, что в слабонагруженных и миниатюрных узлах трения повышение температуры материала в зоне трения является незначительным (как правило, не превышает 10оС) и не может являться причиной большинства трибоэмиссионных явлений, в том числе трибодесорбции газов. Показано, что основными активационными факторами трибодесорбции газов в миниатюрных и слабонагруженных узлах трения являются процессы повреждаемости материала: пластическая деформация, износ, растрескивание, отслоение покрытий.

3) Установлено, что источники трибодесорбции зависят от рода материала и десорбирующегося газа: источником водорода, дейтерия и инертных газов (аргона) при трении металлов, металлических, углеродных и керамических покрытий являются газы, растворенные или окклюдированные в материале до начала трения в вакууме; источником метана являются трибохимические реакции; источником СО при трении нанокластерных покрытий являются молекулы, адсорбированные в нанопорах между нанокластерами; источником трибодесорбции газов при трении наполненных вулканизатов синтетических каучуков (этилен-пропилен-диенового, бутадиен-нитрильного, полиэфируретанового и композиции полипропиленового, этилен-пропилен-диенового и хлоробутилового) являются газы, адсорбированные на частицах наполнителя (сажи).

4) Получено общее решение системы уравнений, описывающий комплекс процессов в системе «материал-поверхность-газ». Установлено, что транспорт атомов и молекул газа из объема материала к поверхности зоны трения и внутренняя адсорбция, т.е. переход атомов и молекул газа из объема материала в адсорбированное состояние на поверхности, являются процессами, определяющими скорость трибодесорбции, и постоянная времени этих процессов лежит в интервале 1-100 с.

5) Установлено, что транспорт газа из объема материала к поверхности осуществляется: за счет ускоренной диффузии атомов и молекул газа в поле механических напряжений, за счет удаления поверхностных слоев материала, являющихся диффузионными барьерами, за счет транспорта подвижными дислокациями, а также за счет фазовых превращений. Возникновение градиента механических напряжений на поверхности коррозионно-стойкой стали в диапазоне 1012 - 2,51014 Па м-1 приводит к возникновению удельного диффузионного потока 1017 – 1023 м2с-1. При удалении с поверхности алюминия оксидного слоя толщиной 0,3 нм полное количество десорбированного водорода увеличивается на 13%.

6) Разработан комплекс потоковых и интегральных общих и удельных количественных показателей трибодесорбции с учетом специфики трибологического сопряжения. Разработаны теоретические основы экспериментальных исследований трибодесорбции. Показано, что систематическая погрешность измерения количества десорбированного газа за счет адсорбции на стенках вакуумной камеры не превышает 12% при давлении <10-10 Па при продолжительности трибодесорбции не менее 30 с. Разработан комплекс технических средств для измерения трибодесорбции, на которые получен международный патент и поданы две заявки на патент.

7) Установлено, что среди исследованных материалов и покрытий низкий поток трибодесорбции (<410-8 мбар л с-1) имеют тантал, медь, титан, наводороженный аморфный углерод, покрытия TiN:Ag и WC/TiN.

8) Установлено, что количество десорбированного водорода при трении никеля и коррозионно-стойкой стали линейно зависит от объема материала в активной зоне трения и от содержания свободного растворенного водорода в материале. Коэффициент пропорциональности между количеством десорбированного газа и параметром, характеризующим объем активной зоны трения, является инвариантной, зависящей от типа материала и содержания газа в материале и составляет для никеля и коррозионно-стойкой от 6,5110-2 мбар мм-3 до 4,0910-1 мбар мм-3 в зависимости от содержания растворенного водорода.

9) Установлено, что трибодесорбция из вулканизатов синтетических каучуков происходит при трении, но не происходит при разрыве и прокалывании эластомера. Наименьшим среди исследованных эластомеров потоком трибодесорбции с наименьшим содержанием химически активных газов обладает насыщенный бутадиен-нитрильный каучук.

10) Разработана феноменологическая модель трибодесорбции. Показано, что поток трибодесорбции может быть описан как свертка единичной удельной функции трибодесорбции и функции скорости вовлечения материала в активную зону трения или функции скорости активирования поверхности.

11) На основе полученных результатов создан комплекс методов управления трибодесорбционными характеристиками материалов, в том числе технологические способы управления трибодесорбционными процессами, как при создании покрытий, так и во время эксплуатации механизмов и методика расчета показателей трибодесорбции на стадии проектирования и эксплуатации внутрикамерных механизмов сверхвысоковакуумного оборудования. Разработан математический аппарат вакуумной диагностики технического состояния узлов трения, работающих в вакууме. Разработан новый метод измерения содержания газов в материалах и покрытиях.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ: грант Президента РФ для молодых ученых (1996), грант 08.01.016 (2003), грант Президента РФ для молодых кандидатов наук MK-764.2003.08 (2003-2004), грант 01.01.052 (2003-2004), грант по целевой программе 3.3 (2005); INTAS: международные гранты YSF-164D (2002-2004), INNO № 05-1000007-417 (2005-2006); Комиссии Европейского Сообщества: грант «Мария Кюри» MIF2-CT-2006-22067, проект KRISTAL 515837-2, проект Clean Engine (TST5-CT-2006-031241); Европейского научного фонда ESF-FANAS (совместно с Министерством науки и инноваций Испании): проект FUNDTRIBO (MAT 2008-02999-E); Японского научно-технологического агентства: грант JSTA 2000; Немецкого агентства академических обменов DAAD: грант post-doc 1999; Министерства науки и инноваций Испании: Ramn y Cajal RYC-2009-04125, проект по программе «Прикладные исследования» (CIT-420000-2009-53), проект Nanotribocorr (MAT2005-07872).

Автор выражает благодарность за сотрудничество и помощь в выполнении этой работы: профессорско-преподавательскому составу кафедры «Электронные технологии» и МГТУ им. Н. Э. Баумана и лично проф. Е. А. Деулину, проф. Л. И. Волчкевичу, проф. Ю. В. Панфилову, проф. А. Г. Колесникову, проф. Г. П. Павлихину, а также А. В. Русанову, В. В. Савранскому, П. И. Коновалову, И. П. Меньшикову; сотрудникам лаборатории «Вакуумная технология» Института прикладной физики «Торрес Кеведо» (г. Мадрид, Испания) Института материаловедения (г. Мадрид, Испания) проф. Х. Л. де Сеговия, Э. Роман, А. Руиз и Руиз; сотрудникам фонда Текникер (г. Эйбар, Испания) др. М. Конте, др. А. Игартуа и К. ван Рийн; др. А. Климент-Фонт; проф. М. Шерге и др. И. Ахмед У

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||
 





 
© 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.