Разработка системы ионной очистки поверхности изделия - Нанесение антидеструкционных покрытий на топливные и кислородные баки космических аппаратов

Существенное влияние на качество формируемых покрытий, их адгезию к основе оказывает состояние поверхности образцов. Как правило, на поверхности образцов существует слой загрязнений, который ухудшает адгезию покрытия. Технологический цикл нанесения покрытий включает в себя этап чистки поверхности образцов.

Существует несколько методов очистки поверхности - метод термической десорбции, ионная очистка различных разновидностей, метод очистки с использованием каталитических реакций, метод скола в вакууме.

Каждый из этих методов имеет свои достоинства, недостатки и области применения. В установках для магнетронного нанесения покрытий наибольшее распространение получил метод ионной очистки поверхности.

Физическая сущность процесса ионной очистки заключается в бомбардировке поверхности подложки низкоэнергетичными ионами рабочего газа (чаще всего аргона).

Основными параметрами, определяющими характер процесса взаимодействия ионного пучка с поверхностью, являются параметры пучка (плазменной системы) - плотность ионного тока и энергия ионов, а также время процесса.

Процесс взаимодействия ионов с поверхностью сводится к протеканию взаимосвязанных физических процессов: конденсации, внедрения и распыления. Преобладание того или иного физического процесса зависит, в первую очередь, от энергии падающих ионов.

При низких энергиях ионов преобладает конденсация падающих ионов на поверхности, образование и рост пленки ионов используемого газа на бомбардируемой поверхности. При высоких энергиях преобладает интенсивное распыление атомов с поверхности, в результате чего толщина пленки уменьшается. При некотором значении энергии граница поверхности остается неподвижной и преобладающим является процесс внедрения ионов в приповерхностный слой.

Воздействие ионной бомбардировки на поверхность подложки вызывает возникновение дефектов в структуре материала. В процессах ионной очистки важно избежать возникновения дефектов, поэтому время ионной очистки должно быть ограничено, чтобы не вызвать значительной аморфизации структуры материала подложки.

Одним из способов сократить время ионного воздействия на поверхность, является применение реактивной ионной очистки, в ходе которой совместно с процессом ионной бомбардировки, на поверхности подложки происходит химическая реакция с образованием летучих соединений.

Удаление обрабатываемого материала происходит в результате его распыления ускоренными ионами и образования легколетучих соединений при взаимодействии с химически активными частицами плазмы.

При этом физическое распыление интенсифицирует химические реакции, а химические реакции, ослабляя межатомные связи на обрабатываемой поверхности, увеличивают скорость распыления.

Выбор реактивного газа определяется материалом подложки, на которую в дальнейшем будет наноситься покрытие.

Как уже было сказано, в установке вакуумной металлизации после модернизации предполагается нанесение покрытий на внешнюю силовую оболочку кислородных баков для космических аппаратов. Внешняя оболочка такого бака выполнена из углепластика.

Рис. 20. Фрагмент изделия из углепластика

Углепластик - это полимерный композиционный материал, состоящий из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол.

В качестве реактивного газа для травления углерода обычно применяется кислород.

В плазме химически активные частицы образуются в результате взаимодействия молекул газа с ускоренными электронами, которые, в отличие от тяжелых частиц, обладают существенно большими энергиями.

При взаимодействии атомов кислорода с электронами образуются ионы кислорода и атомарный кислород.

О2 + e > О + О-

Присутствие в плазме кислорода вызывает повышенную скорость травления углерода за счет его оксидирования до СО или СО2 В соответствии со следующими химическими реакциями.

3С + О2 = 2СО

С + О2 = СО2

Атомарный кислород также очищает поверхность от органических загрязнений.

Для уменьшения радиационных дефектов обрабатываемых образцов процессы травления проводят в режимах, обеспечивающих превышение скорости удаления слоев за счет химических реакций над скоростями распространения дефектов, образующихся вследствие ионной бомбардировки.

Ионная очистка позволяет получить чистую поверхность и значительно повысить адгезию наносимой пленки к подложке.

В установке УВМ-1200 установлен источник ионов типа "Обнинск" (изготовитель - ООО "Ионима-Рус").

Ионный источник генерирует и испускает пучок ионов в форме цилиндра овального сечения со слабым расхождением к конической форме.

Рис.21. Устройство ионного источника типа "Обнинск".

1 - анод; 2, 3 - катодные пластины; 4 - магнитный блок; 5 - водоохлаждаемые стенки; 6 - магнитопровод; 7 - охранный экран; 8 - изолятор; 9 - платформа; 10 - платформа; 11 - штуцер; 12 - винт.

Устройство ионного источника состоит из анода 1, расположенного напротив выпускной щели, образуемой катодными пластинами 2, 3, закрепленными на магнитном блоке 4 и водоохлаждаемых стенках 5 с помощью магнитопроводов 6. Роль катода выполняет корпус ионного источника. Анод окружен охранным экраном 7, закрепленным через изоляторы 8 на платформе 9.

Рабочий газ подается внутрь корпуса ионного источника через штуцер 11 в газораспределительную систему, находящуюся снизу платформы 10. Юстировка ускоряющего промежутка (расстояния от анода до катодных пластин) может осуществляться с помощью винтов 12.

Анод изолирован от корпуса (катода) с помощью изоляторов. Сопротивление изоляции между анодом и корпусом должно быть не менее 1МОм.

Ориентация намагниченности постоянных магнитов, расположенных внутри магнитного блока, одинакова.

Принцип действия ионного источника заключается в отборе ионов из разряда, возбуждаемого между анодом и катодными пластинами в скрещенных электрическом и магнитном полях. Ионы ускоряются в промежутке между анодом и катодными пластинами и испускаются в направлении обрабатываемого изделия.

Подвод газа осуществляется через гибкие полимерные шланги Dy = 4 мм, присоединенные к штуцерам ионного источника.

Подача воды в анод осуществляется через медные трубки Dy = 10 мм, которые одновременно являются токоподводами высокого напряжения.

Для питания источника ионов используется блок питания "ИВЭ-345-02" (изготовитель - ЗАО "Плазматех").

Похожие статьи




Разработка системы ионной очистки поверхности изделия - Нанесение антидеструкционных покрытий на топливные и кислородные баки космических аппаратов

Предыдущая | Следующая