9-2-6-01__2014__Metody_poluchenija_nanostrukturirovannyh_pokrytij_v_mashinostroenii

Наиболее близкими к заявляемым являются способ нанесения нанопокрытий в установке типа «плазменный фокус» и устройство для его осуществления (T.Zhang et al., J.Phys. D: Appl.Phys. 39, (2006), 2212).

Способ нанесения нанопокрытия заключается в распылении материала

анода плазменными потоками и электронным пучком, образующимися в

пинче, и осаждении наночастиц этого материала на кремниевые подложки, расположенные под разными углами на расстоянии 120 мм от торца анода.

Вкачестве устройства используется установка типа «плазменный фокус», состоящая из двух коаксиальных электродов - анода и катода, разделенных

изолятором, вакуумной разрядной камеры и источника питания. В торец

центрального электрода - анода впрессовывается вставка из распыляемого материала, в данном случае из Fe-Co.

Врезультате получены нанопокрытия из Fe-Co, обладающие магнитными свойствами. Основными преимуществами здесь являются возможность нанесения покрытий в различных активных газовых средах, высокая

скорость осаждения, более высокая энергия осаждаемых наночастиц по

сравнению, например, с плазмотронами.

91

По имеющимся литературным данным, скорость поступления в камеру испаренного материала анода в плазмофокусном разряде составляет 103-104 м/с. Однако при таком подходе элементный состав нанопокрытий, наносимых на подложки, определяется только материалом анода. Это заметно сужает диапазон элементного состава наносимых покрытий, а также затрудняет нанесение комбинированных и составных покрытий. Кроме того, процесс испарения материала анода носит взрывной характер и трудно поддается регулировке.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является управляемое повышение энергии наносимых частиц материала нанопокрытия и улучшение адгезии покрытия с подложкой, расширение компонентного состава покрытия, возможность нанесения сложных композитных покрытий.

Для этого предложены способ и устройство нанесения нанопокрытий.

Способ нанесения нанопокрытий состоит в плазменном распылении наносимого вещества на подложку в вакуумной камере, при этом на подложку осаждают наночастицы, полученные при испарении в плазме импульсного сильноточного разряда, пинчующегося под действием собственного магнитного поля, мишени, представляющей собой свободно падающий мелкодисперсный

92 порошок.

При этом мишень из мелкодисперсного порошка формируют, подавая его в зону испарения из резервуара, расположенного вне вакуумной камеры.

Параметры мишени регулируют путем изменения времени задержки между открытием резервуара и началом импульсного сильноточного разряда.

Кроме того, длительность открытия резервуара должна быть меньше времени пролета мелкодисперсной фракции порошка до зоны испарения.

Нанесение нанопокрытия проводят при заполнении вакуумной камеры сильноизлучающим газом с большим порядковым номером.

Устройство для нанесения нанопокрытий вышеуказанным способом состоит из вакуумной камеры, анода и катода, разделенных изолятором, источника питания, подложек, установленных вблизи анода, при этом вакуумная камера выполнена симметричной относительно вертикальной оси, а вне вакуумной камеры по ее оси установлен резервуар с мелкодисперсным порошком, соединенный с вакуумной камерой пролетной трубой, в верхней части которой расположен

93 электромагнитный затвор, а в нижней - вакуумный затвор.

Корпус вакуумной камеры и катод могут быть выполнены в виде одного конструктивного элемента.

Центральная часть анода может быть выполнена сменной.

Кроме того, поверхность центральной части анода может быть выполнена с

углублением.

Кроме того, поверхность центральной части анода может быть выполнена плоской.

Таким образом, при попадании мелкодисперсного порошка в вакуумную

камеру формируется подвижная мишень из микрочастиц этого порошка.

Под действием сначала излучения сжимающейся токовой оболочки, а после схождения оболочки на мишень - и непосредственно высокотемпературной плазмы оболочки, частицы мишени микронного и субмикронного размера испаряются. Затем продукты испарения ионизуются и сжимаются собственным магнитным полем тока, протекающего через плазму. В результате пинчевания повышается плотность плазмы, а ее температура увеличивается до величины от сотен электронвольт до нескольких кэВ. После распада пинча плазма расширяется с тепловой скоростью, вещество испарившегося порошка конденсируется и оседает на подложках в виде фрактальных наноструктур с развитой активной поверхностью.

94

Поскольку трансформация микрочастиц происходит как под действием мощного излучения плазмы сжимающейся токовой оболочки, так и под воздействием непосредственно высокотемпературной плазмы пинча, это приводит к значительному росту эффективности образования наноструктур, высокой энергии образующихся наночастиц и обеспечивает практически неограниченный набор возможного компонентного состава наночастиц. Так как энергия наносимых частиц определяется температурой и плотностью пинчевой плазмы, параметры наноструктурных покрытий можно регулировать, изменяя параметры разряда (разрядный ток, давление и вид газа, заполняющего вакуумную камеру) и порошковой мишени (диаметр мишени, размер и состав частиц).

При этом сохраняется возможность комплексного подхода к образованию наноструктур. При одновременном воздействии на анод возникающих в разряде мощных электронных пучков и кумулятивных плазменных потоков на подложку наносятся также и частицы материала анода, аналогично прототипу. Центральная часть

95 анода имеет сменную вставку, что позволяет регулировать поступление в объем паров материала анода.

В случае вставки с углублением поступление паров минимизируется и состав наносимого покрытия определяется в основном материалом порошковой мишени. В случае плоской анодной вставки происходит интенсивное испарение материала вставки. Путем изменения материала вставки и элементного состава исходного порошка можно наносить сложные по составу покрытия.

На фигуре 1 приведен пример исполнения предлагаемого устройства, где 1 - анод; 2 - вакуумная камера-катод; 3 - изолятор; 4 - сменная анодная вставка; 5 - токово-плазменная оболочка; 6 - пинч; 7 - мишень из мелкодисперсного порошка; 8 - вакуумный затвор; 9 - пролетная труба; 10 - резервуар с мелкодисперсным порошком; 11 - электромагнитный затвор; 12 - устройство ввода подложки; 13 - держатель подложек, 14 - источник питания, 15 - блок управления.

На фигуре 2 показана динамика изменения формы мишени из мелкодисперсного порошка оксида алюминия, формируемой вблизи поверхности анода в вакуумной камере при заполнении ее неоном при давлении 1.5 Торр.

96

97

98

99

Фотографии получены через различные промежутки времени относительно открытия резервуара с порошком 10 (временная задержка указана непосредственно на кадрах). Экспозиция 1-6 кадров - 10 мс, экспозиция 20-28 кадра - 100 мс, большое деление пространственной шкалы 1 см. Наиболее крупные частицы порошка пролетают всю высоту падения со скоростью свободного падения за 0.375 с. Мелкие фракции тормозятся в газе тем сильнее, чем они мельче. Т.е. в процессе падения порошок эффективно разделяется на фракции. Этим способом мы смогли существенно улучшить однородность состава порошка по размерам частиц и контролируемо выбирать нужные размеры частиц в момент взаимодействия с плазмой пинча.

Времена падения и скорости частиц вблизи анода можно оценить по формулам:

h=g*t/k+g*(e-k*t-1)/k2 ν=g*(1-e-k*t)/k k=100*p/r

где h - высота падения частиц (в данном случае 70 см), g - ускорение свободного падения (980 см/с), t - время падения (секунды), ν - скорость в конце падения (см/с), р - давление наполняющего газа (Торр), r - радиус частицы в микронах. Конкретные расчеты для некоторых размеров частиц оксида алюминия в случае заполнения вакуумной камерой неоном при давлении 1.5 Торр приведены в таблице.

100