CC BY
84
УДК 538.91
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОВЫШЕННЫМИ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Наиль Фаикович Кашапов
Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008, Россия, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, доктор технических наук, проректор по инновационной деятельности, тел. (843)233-78-71, e-mail: [email protected]
Саид Насибуллович Шарифуллин
Филиал Казанского (Приволжского) федерального университета, 422980, Россия, Республика Татарстан, г. Чистополь, ул. Студенческая, 15, доктор технических наук, профессор кафедры механизации в агропромышленном комплексе, тел. (960)054-85-95, e-mail: [email protected]
Впервые предложена технология получения многофункциональных покрытий с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами с совмещением операций испарения материала, ионизации и возбуждения атомов, формирования направленного потока частиц и транспортировки их на поверхность, подогрева подложки, очистки и полировки ее поверхности. В качестве инструмента исполнения применяется высокочастотный индукционный разряд низкого давления в потоке газа.
Ключевые слова: оптические системы, многофункциональное покрытие, высокочастотный индукционный разряд, низкое давление.
MULTIFUNCTIONAL COATING OPTICAL SYSTEM WITH ENHANCED OPTICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS
Nail F. Kashapov
Kazan (Volga region) Federal University, 420008, Russia, Tatarstan, Kazan, st. The Kremlin, 18, Main Building, Doctor of Technical Sciences, Vice-Rector for innovation, tel. (843)233-78-71, e-mail: [email protected]
Said N. Sharifullin
Kazan (Volga Region) Federal University Branch in Chistopol, 422980, Russia, Tatarstan, Chisto-pol, st. Student, 15, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, professor of the department «Mechanization in the agricultural sector», tel. (960)054-85-95, e-mail: [email protected]
First proposed technology for production of multifunctional coatings with enhanced mechanical and performance properties to the combined operations of the evaporation material, ionization and excitation of atoms, forming a directional flow of particles and transporting them to the surface, heating the substrate, cleaning and polishing her surface. As an instrument of execution used high-frequency inductive discharge of low pressure in the gas stream.
Key words: optical systems, multifunctional coating, high-frequency inductive discharge, low pressure.
Есть области техники, где имеющиеся традиционные технологии обработки поверхностей и нанесения покрытий не позволяют получить поверхности выше 12 класса шероховатости и покрытия с повышенными физико-
механическими и эксплуатационными свойствами. К таким областям относится и оптико-механическая промышленность. В ней, хотя и используются некоторые высокие технологии, технологические операции получения многослойных покрытий оптических элементов прерывистые и не объединены в один цикл. Это приводит к изменению или потере тех или иных оптических свойств изделия. Вследствие этого решение задачи создания конкурентоспособной продукции на мировом рынке становится невозможной. Здесь необходимы нестандартные подходы и применение не обычных, а прорывных технологий. Такими технологиями могут быть только высокие технологии, которые позволяют получать качественные изделия, новые перспективные материалы, покрытия и поверхности с необычными свойствами. К ним можно отнести плазменные технологии газового разряда.
Широкий спектр энергетических, тепловых и газодинамических характеристик низкотемпературной плазмы газового разряда позволяет применить ее в различных технологиях [1 - 4]. При этом тепловую мощность плазменной струи можно изменять от десятков ватт до десятков мегаватт, температуру - от нескольких сот градусов до 50 000°С, эффективный к.п.д. нагрева может доходить до 90%, скорость плазменной струи - до 1000 м/с, ресурс непрерывной работы - до 1000 часов. Плазмообразующим газом могут быть любые газы, как инертные, так и агрессивные.
В нашем случае при выборе вида плазмы для выполнения указанной задачи необходимо выполнить следующие требования:
1. Плазма должна быть газоразрядной;
2. Плазма должна быть чистой, т. е. без продуктов эрозии электродов;
3. Под температурным воздействием плазмы не должны изменяться основные физико-механические свойства самого материала детали;
4. Плазменная технология должна позволять нанесение тонких пленок на различные поверхности из различных металлических, неметаллических и диэлектрических материалов или их соединений;
5. Материал покрытий должен испаряться в разряде до парогазовой фазы;
6. В качестве исходного сырья для испарения могут быть различные плазмохимические реагенты;
7. Технология должна позволить совмещение операций испарения материала, ионизации и возбуждения атомов, формирования направленного потока частиц и транспортировки их на поверхность, подогрева подложки, очистки и полировки ее поверхности.
8. Транспортировка продуктов испарения или плазмохимической реакции на поверхность подложки должна производиться плазменной струей;
9. Воздействием плазмы свойства поверхностного слоя детали должны существенно измениться в сторону улучшения качества;
10. Для удаления продуктов обработки использовать плазменную струю.
Анализ свойств плазмы и возможностей ее применения показал, что указанным требованиям соответствует высокочастотный индукционный разряд (ВЧИ) низкого давления в потоке инертного газа (рис. 1). Проведенные исследования позволили определить режимы обработки и нанесения покрытий ВЧИ-плазмой низкого давления для решения поставленной задачи.
Эксперименты проводились по созданию прозрачных покрытий из твердого и износостойкого материала двуокиси кремния для оптической промышленности. Ранее было выяснено, что при получении алмазоподобных покрытий безвакуумным методом с помощью дугового плазмотрона 20 - 30% состава покрытия представлял карбид кремния, а 70 - 80% - двуокись кремния [5]. Отсюда следует, что те результаты, которые были получены для вышеуказанных покрытий, определяет, в первую очередь, двуокись кремния. Поэтому можно утверждать, для рассматриваемых покрытий присущи те же свойства по твердости и износостойкости, что и покрытиям, полученным безвакуумным методом с помощью дугового плазмотрона.
Полученные пленки БЮ2 были изучены на инфракрасном спектрометре иЯ-20 с приставкой для получения спектров отражения в области 700 - 3800 см-1. В исследуемой части спектра наблюдались две полосы в области 1068 и 810 см-1, принадлежащие молекуле БЮ2. Полос, свидетельствующих о наличии в пленке молекул БЮ, НО и Н20, не оказалось. Чистота пленки является важным фактором, определяющим ее применение в различных областях, таких как микроэлектроника, оптика и т. д.
В экспериментах материалами подложек служили медь, сталь, платино-иридий, алюминий, стекла марок КВ и К8, сапфир, ситалл СТ50-1. Размер подложек был диаметром до 40 мм. Испаряемые материалы выбирались в виде стержня. Диаметр стержня менялся от 2 до 10 мм.
Были исследованы скорость роста пленки в зависимости от расхода плаз-мообразующего газа и изменение толщины пленки по поверхности подложки. Оказалось, что изменяя расход плазмообразующего газа можно наносить покрытия со скоростью 150 ангстрем в секунду. Это означает, что покрытие в 1мкм можно нанести за 1 мин. Толщина полученных пленок доходила до 20 мкм. Для определения неравномерности пленок проводилось измерение в пяти местах поверхности подложек. Результаты показали, что максимальная неравномерность толщины полученных пленок составляет всего около 0,5%.
а
б
Рис. 1. Фотографии ВЧИ-разряда (а) и плазменной струи (б) при низких давлениях
Было проведено испытание пленок на механическую прочность. Испытание проводилось на приборе СМ-55. Оказалось, что все полученные пленки по механической прочности относятся к нулевой группе. По нормали НО 3611-61 к нулевой группе относятся покрытия, допускающие чистку в полевых условиях (особо прочные).
Пленки кварца, нанесенные на стеклянные подложки К8, были испытаны на лучевую прочность. Лучевая прочность пленок определялась на стенде испытаний с помощью лазера ГОС-300. Измерения показали, что порог разруше-
5 2
ния пленки кварца геометрической толщиной 2 мкм составляет 3,4-10 мм . Это в несколько раз выше порога разрушения пленок, полученных другими способами вакуумных покрытий.
ВЧИ-плазмой низкого давления можно распылять любые материалы: металлические, неметаллические, диэлектрические и др. В ней можно проводить любые плазмохимические реакции с получением различных материалов и покрытий. При этом можно совмещать операции испарения материала, ионизации и возбуждения атомов, формирования направленного потока частиц и транспортировки их на поверхность, подогрева подложки, очистки и полировки ее поверхности. Покрытия можно наносить практически на любые поверхности, выдерживающие температуры 100 - 200°С. Микротвердость таких покрытий составляет не менее 20 ГПа, что выше в 1,5 - 2,0 раза твердости абразивных частиц. При статическом положении подложки разработанной конструкцией плазмотрона можно наносить покрытия на площадь диаметром до 70мм. За счет манипуляций движения подложки и изменением конструкции плазмотрона возможно реальное получение покрытий на любых площадях.
Была проведена обработка поверхностей оптических стекол из различных марок. Ниже приведем некоторые результаты исследований. На рис. 2 приведены фотографии микроструктур поверхностей стекла марки К8 до и после обработки потоком ВЧИ-плазмы низкого давления, полученных на электронном
микроскопе УЭМВ-100А. Сопоставление фотоснимков показывает, что существовавшие микродефекты поверхности после обработки плазмой исчезают, и образуется совершенно новая, более сглаженная и однородная микроструктура поверхности. Анализ этих фотографий и результатов других исследований позволили сделать вывод о том, что в процессе обработки образцов высокочастотной индукционной плазмой
а б
Рис. 2. Фотографии микроструктур поверхности стекла
марки К8 до (а) и после (б) обработки потоком ВЧИ-плазмы низкого давления (х20 000 в формате листа А4, ширина фотографии соответствует 4 мкм поверхности)
низкого давления происходит удаление дефектного слоя поверхности и ее дальнейшая полировка. Укажем, что шероховатость поверхности образцов до обработки плазмой соответствует 10 - 11-му классу. После обработки достигается 13-14-й класс шероховатости поверхности. Заметим, что таблица класса шероховатости по ГОСТу заканчивается 14-м классом. Это теоретически достигаемый класс шероховатости. Практически же, существующие способы обработки не позволяют достижение класса шероховатости выше 12-го.
Для того, чтобы убедиться в удалении дефектного слоя поверхности и уменьшении ее шероховатости воздействием плазмы, были проведены исследования по измерению коэффициента рассеяния света и лучевой прочности поверхностей оптических стекол до и после обработки их потоком ВЧИ-плазмы низкого давления. При пропускании светового луча через стекло, основные потери энергии зависят от загрязненности и шероховатости его поверхности. Поэтому эти количественные параметры будут конкретно характеризовать эффект воздействия плазмы на поверхность материала.
Измерения рассеяния света проводились на нестандартной лазерной установке измерения рассеяния ЛУИР, основанной на сравнении коэффициентов рассеяния образцов и эталонной пластины. Рассеяние определялось на длине волны 632,8 нм в «8»- поляризованном излучении лазера. Индекс «8» означает поляризацию, когда электрический вектор перпендикулярен к плоскости падения излучения. Результаты измерений коэффициента рассеяния для 14 стекол К8 показали, что ВЧИ- плазменная обработка при низких давлениях позволяет в 2 - 3 раза уменьшить коэффициент рассеяния стекол.
Лучевую прочность поверхностей образцов определяли на специальном стенде с помощью лазера ЛТИ-5. Измерения показали, что после ВЧИ-плазменной обработки лучевая прочность поверхностей стекол К8 повысилась в 1,5 - 2 раза. Уменьшение коэффициента рассеяния света оптических стекол в 2 - 3 раза после ВЧИ плазменной обработки их поверхностей, с одновременным повышением лучевой прочности в 1,5 - 2 раза, является убедительным доказательством удаления дефектного слоя поверхности и повышения ее класса шероховатости.
Анализ результатов по ВЧИ-плазменной обработке поверхностей деталей из различных материалов позволяет сделать вывод, что имеется новый тонкий инструмент модифицирования поверхностного слоя детали. Он позволяет одновременно очистить поверхность от всех видов загрязнений, удалить дефектный слой после ее механической обработки, получить однородную микроструктуру, повысить класс шероховатости на 2 - 3 единицы. При этом не имеет значения, из какого материала изготовлена деталь. Лишь бы материал детали выдерживал температуру порядка 100 - 200 °С, а эффект будет тот же.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кашапов Н. Ф., Лучкин А. Г. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения упрочняющих покрытий на пластики // Известия вузов. Физика, 2014. - Т. 57. - № 3/3. -С.165-168.
2. Dautov I.G. Study of dustelectron plasma discharge on condition parallel of the velocity vector of the gas flow and electric field /I.G. Dautov, G. U. Dautov, N.F. Kashapov, I.I. Fairushin //Journal of Physics: Conference Series. 2013. - V.479. - No.1. Article No. 012001. doi:10.1088/1742-6596/479/1/012001.
3. Anatoly Dounaev. Friction Surfaces Modification Using Tribo-Compounds /Anatoly Dou-naev and Said Sharifullin //World Applied Sciences Journal. ISSN 1818-4952, 2014. - Vol. 31 (2). - P. 272 - 276.
4. S. Sharifullin. New approach to investigating plasma processes occurring in friction units of machines and mechanisms /S. Sharifullin, N. Rogozhkin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2014. - V. 69. doi:10.1088/1757-899X/69/1/012039.
5. Соснин Н.А. Плазменные технологии /Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополян-ский. - СПб.: изд. Политехн. ун-та, 2008. - 406 с.
6. Budin J.P. On the dynamics of laser - induced damage in glasses /J.P. Budin, J.Rafby. //Appl. Phys. Letters, 1966. -V. 9. -No 8. -p. 291.
© Н. Ф. Кашапов, С. Н. Шарифуллин, 2015
