CC BY
8
МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА ОБРАЗОВАНИЯ АДГЕЗИИ ПРИ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ НА ПОДЛОЖКУ ИЗ ОКСИДА
БЕРИЛЛИЯ Курманказы А.К.1, Баегизова А.С.2 Email: Kurmankazy6106@scientifictext.ru
1Курманказы Азиза Курманказыкызы - магистрант;
2Баегизова Айгулим Сейсенбековна - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра радиотехники, электроники и телекоммуникаций, физико-технический факультет, Евразийский национальный университет им. Л.М. Гумилева, г. Нур-Султан, Республика Казахстан
Аннотация: в данной статье представлены кинетика и механизм образования прочной связи между поверхностными атомами металлического покрытия и керамической подложки из оксида бериллия. Представлены все фазы образования прочной связи конденсата с подложкой. Механизм образования сцепления был подробно описан. Выведена формула для вычисления необходимой температуры подложки (активации) для получения максимального значения адгезии. Полученные теоритические значения температуры подложки были сравнены с практическими значениями, которые оказались значительно выше при реальных условиях. Ключевые слова: механизм, кинетика, адгезия, оксид бериллия.
MECHANISM AND KINETICS OF ADHESION FORMATION DURING APPLICATION COATINGS ON A SUBSTRATE MADE
OF BERYLLIUM OXIDE
12 Kurmankazy A.K. , Baegizova A.S.
1Kurmankazy Aziza Kurmankazykyzy - Masters Student;
2Baegizova Aigulim Seysenbekovna - Candidate of Physical and Mathematical Sciences,
Associate Professor,
DEPARTMENT OF RADIO ENGINEERING, ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS, FACULTY OF PHYSICS AND TECHNOLOGY, EURASIAN NATIONAL UNIVERSITY NAMED AFTER GUMILEV L.M. NUR-SULTAN, REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Abstract: this paper presents the kinetics and mechanism of formation of a strong bond between the surface atoms of a metal coating and a ceramic substrate made of beryllium oxide. All phases of the formation of a strong bond between the condensate and the substrate are provided. The mechanism of coupling formation has been described in detail. A formula is derived for calculating the required substrate temperature (activation) to obtain the maximum adhesion value. The obtained theoretical values of the substrate temperature were compared with the practical values, which were significantly higher under real conditions.
Keywords: mechanism, kinetics, adhesion, beryllium oxide.
Механизм и кинетика образования адгезии при нанесении покрытия в вакууме из паровой фазы на твердотельную подложку, например, из металла, и математическое описание данного процесса было сделано в работе [4, 45-53]. Создатели этой работы подразумевают, что процесс образования прочной связи конденсата с подложкой может включать три стадии:
1 - адатом, осажденный на подложку, попадает на активный участок поверхности подложки и вступает в химическую связь;
2 - адатом, поступивший на поверхность и не образовавший прочную химическую связь в первый момент, образует ее в течение последующего периода нанесения за счет релаксации энергии;
3 - адатом, образует прочную связь при завершении процесса за счет флуктуации энергии.
Наиболее вероятный механизм образования сцепления был выработан в результате математического анализа каждой из стадий процесса и представлен ниже.
Атомы при соударении с поверхностью подложки сначала вступают в физическое взаимодействие (физическая адсорбция), затратив часть энергии на десорбцию атомов газов или других загрязнений. Далее часть атомов из общего количества успевают образовать химическую связь (хемосорбироваться) за время их активной жизни (при диффузии на поверхности подложки) и их энергия релаксируется до среднего уровня энергии атомов подложки.
Исходя из этого для оценочных расчетов относительной прочности сцепления (адгезии) атомов металла с атомами подложки из оксида бериллия и считая, что основной вклад при образовании химической связи (самом прочной связи) в оксиде бериллия вносят точечные дефекты и кислородные вакансии, нами было использовано уравнение, учитывающее энергию активации образования этих дефектов [1, 2].
t = * N/N0 * ехр (Еа / КТ) (1)
где:
Еа - энергия активации образования дефектов, N0 - число связей в поверхностном слое, N - число связей, необходимых для образования соединений, t - длительность активационного процесса или время образования сплошной пленки,
V - частота собственных колебаний атомов поверхности подложи (1012 - 1013 с -1), К - постоянная Больцмана, Т - температура подложки при конденсации.
Предполагая, что вакансионный механизм является определением образования прочной связи металла с оксидом бериллия и считая, что
N/N0 = 6р / 6тах (2)
где:
6р - реальная прочность сцепления при заданных условиях, 6тах - прочность сцепления при предельно возможном количестве хемсорбированных атомов, преобразовав уравнение (1), мы получим:
N/N0 = 6р / бтах = t V е - Еа/КТ (3)
Пользуясь данным уравнением, можно примерно оценить необходимую температуру подложки (активации) при заданных значениях 6р / 6тах, ^ V, Еа.
Считая, что 6р / 6тах, V=1013, t=0,1с, что соответствует, например, при элекронно-лучевом напылении заполнению поверхности подложки атомами покрытия на 95% [5]; Еа=65,5 ккал/моль - энергия активации образования и движения дефектов в оксиде бериллия [3, 29-36] по формуле (3); температура подложки (Т) для достижения максимального значения адгезии при котором все свободные связи на подложке были «захвачены» атомами металла равняется 11730К. При практических условиях, когда достигается максимальное значение адгезии, температура более высокая, например, эта температура для титана составляет 13800К.
Рис 1. Зависимость величины адгезии от природы материала покрытия и температуры
подложки при его нанесении: а) расчетная и экспериментальная для титана; б) экспериментальная для ряда металлов
Список литературы /References
1. Крегер Ф. «Химия несовершенных кристаллов». М.. Мир, 1969.
2. Кофстад П. Отклонение от стехиометрии, диффузия и электропроводность в простых окислах металлов. М., Мир, 1975.
3. Рыкалин Н.Н. Шоршаров М.Х., Красулин Ю.П. Неорганические материалы, 1965. Т. I. 29-36.
4. Карташкин Б.А., Чадов А.Н., ШоршоровМ.Х. О механике и кинетике образования соединения при нанесении покрытий испарением и конденсацией металлов в вакууме. Фихом, 1970. № 3. 45-53.
5. Кример Б.И., Панченко Е.Б., Шишко Л.А, Николаева Б.К., Авраамов Ю.С. Лабораторный практикум по металлографии и физическим свойствам металлов и сплавов. Москва: Металлургия, 1966. 248 с.
