CC BY
18
ОПТИМИМАЗИЯ ВАКУУМНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА УЛЬТРАТОНКИХ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛОКНАХ Перешивайлов Виталий Константинович,
Генеральный директор ООО «НЭСК», (e-mail: vitperes@mail.ru) Перевозникова Яна Валерьевна, к.т.н., доцент (e-mail: perevoznikova.jana@yandex.ru) Щербакова Наталья Николаевна, к.т.н., доцент (e-mail: nn-sar@mail.ru) Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, Россия
В данной статье представлено оборудование и описана технология магнетронного напыления графита, которая позволяет управлять структурой наносимых слоев углерода от металлического до аморфного обеспечивает контроль и повторяемость толщины слоя.
Ключевые слова: ультратонкие полимерные волокна, наноструктура, графит, углеродная пленка, вакуум.
Одним из наиболее перспективных и быстро развивающихся классов наноматериалов являются углеродные наноструктуры. Актуальной задачей твердотельной электроники является получение и исследование наноугле-родных пленочных материалов различных структурных составов для использования в качестве приборов микро-, нано- и оптоэлектроники. Получение углеродных нанотрубок (УНТ) и других наноструктур на поверхностях большого размера в плазмохимическом синтезе является в настоящее время актуальной задачей.
Существенной составной частью плазменной нанотехнологии является магнетронная технология создания графитовых покрытий, углеродных пленок и других наноструктур на их основе.
Синтезированные в последнее десятилетие углеродных покрытий путем магнетронного напыления графита обладают рядом уникальных свойств, которые позволяют использовать их для создания базовых элементов на-ноэлектроники, активных катодов и наноэлектромеханических системах.
Процесс нанесения углерода (С) (Рис.1) на ленту осуществлялся на экспериментальной вакуумной установке, предназначенной для металлизации гибких носителей, с помощью модернизированного высокоскоростного магнетронного устройства, схемы подачи газа и системы перемотки ленты. Метод магнетронного напыления в вакууме - экологический чистый процесс, без применения химически опасный реагентов.
Применение магнетронного распылительного устройства (МРУ) и мишени из графита позволяет управлять структурой наносимых слоев угле-
рода от металлического до аморфного. Разработанная технология магне-тронного напыления обеспечивает контроль и повторяемость толщины слоя.
Лентопротяжный механизм рассчитан на конвейерную транспортировку различных гибких ультратонких полимерных волокон и металлической ленты в рулоне над ионным источником и магнетронными распылительными устройствами с линейной скоростью перемещения от 2 до 20 м/мин.
Ш,
Иапугк ят*кч.фсры и «.чгру
КВУМ I*
Ф1 ьр ш а г V г мнив опсачы имс^и
КПУМ 40
МРУ!
Гмдр^ирквал крышки камеры:
О
I"« 1 Ги I
МРУ!
Стшв
О
1л П1*1р кпк^чниш
йлкт^и миЛПН1}
Т
£
|1х<к' п-акм чии \
II
Фармгуун-!
п
II оси с шкуумным паримаслнп пип
п
ЛфСГПТ 1ШК}уЫ1ШИ АВР5А
Е3
насоса парома-:л отлип
КВУМ 11)
О
Л.крсЕ 31 »ик |>|Д
.и! МО
'СЧ'рп.1 Е^гу^шал
ЛН1К1
паюса
гаэрпмос-илтн-п К ПУМ 40
Рисунок 1 - Система блока управления лентопротяжным механизмом
Контроль скорости перемотки осуществляется электронными системами контроля асинхронных двигателей. Натяжение пленки обеспечивается за счет разности скоростей вращения роликов смотки и намотки. Напыление одностороннее с реверсивным перемещением ленты в разные стороны, затем после перезарядки осуществляется напыление слоев с другой стороны.
В качестве основы применяется ультратонкие полимерные волокна и металлическая лента шириной 600 мм, толщиной 30-120 мкм (Рис.2).
- - йЙИГ '
»СОКУ
Уч«й<М « «3 м" СчЯ 5Е 20ит
5Ш МАО-:' .00 к* СВДпй^ №1СШ
и-тигсо л патарлсс ■
в)
и г)
Рисунок 2 - Изображение морфологии мезопористые волокна
при увеличениях: а) 5 000; б) 10 000; в) 20 000; г) 50 000 крат
Применение ленты тоньше 30 мкм ограничено ее механической прочностью. Графит является одним наиболее подходящим металлом для напыления металлического и пористого покрытия на ленту. Графит хорошо распыляется, обладает высокой проводимостью, развитой удельной поверхностью, коррозионной стойкостью, термически устойчив, контролируемой пористой структурой, отличными адгезионными свойствами.
Пористый углеродный слой составлен из нескольких монослоев и не должен превышать 1 мкм для предотвращения растрескивания и сколов при скручивании ленты в рулон. Часть пор являются закрытыми, за счет эффекта затенения, остальная часть пор имеет открытый вид. Толщина пористого слоя углерода может составлять от 0,1 до 1 мкм в зависимости от требуемой величины наносимых слоев. Поверхность элементов структуры
покрыта выступами и впадинами, которые образуют нанопоры, увеличивающие общую пористость покрытия. Средний размер нанопор 20 - 60 нм (Рис. 3).
в)
01 =2.18 ит
02 = 2.87 ц
' ПЗ - 1 •
V „л
4В ^т
1 40 мт
< ; V
Р4 = 1.5адп
5ЕМ НУ: 30.00 кУ \___
VIей АеИ. 16.53 мт Ое1: 5Е 5 мт
БЕМ МАв: 20.00 кх Оа»е(т/с1/у): 02/11 /17
РеНогтапсе 1п лагозрасо и
д)
" 02 = 4.4
|?1 ='3.94 % - е.эб м
Р4 = 6.78 цт
-1 ^.Рб = 4.85 рт
Об = 15.62 рт
ЭЕМНУ ЭОООкУ \AewfM4 6613цт Ол 20 мт
5ЕМ МАО: 5 00 кх ОшЦтЩ) 02/11 /17
РегГогтапсе т пагкгарасс |
1 г)
е)
Рисунок 3 - Изображение морфологии напыленного образца при увеличениях:
а) 1 000; б) 3 000; в) 5 000; г) 5 000; д) 20 000; е) 100 000 крат
Первое металлическое углеродное покрытие обладает, низким удельным электрическим сопротивлением R = 0,01 Ом/см , не окисляемость после напыления на ленту, хорошая адгезия, второе аморфное углеродное покрытие на слой металлического дает высокую развитую пористую структуру.
Аморфный слой углерода, покрывающий элементы структуры металлического углеродного подслоя, обладает хорошей электропроводимостью и теплопроводностью, термостойкостью, прекрасной коррозионной устойчивостью в электролитах, прочной адгезией с подложкой.
Слой аморфного углерода представляет собой мезопористую структуру, сформированную из множества сферических, связанных между собой полостей толщиной 0,05-0,1 мкм и повторяет конфигурацию травленой подложки с высокой пористостью. Слой наносится магнетронным распылением при подаче в рабочую камеру рабочего газа аргона. Параметры пленок углерода зависят от давления аргона в камере напыления от 1,33х10" -1,33х10Па. Состав
пленки плавно меняется при контролируемом вакуумметрами изменении давлении аргона.
Список литературы
1. Перевозникова, Я.В. Разработка технологии заполнения объемно-пористых электродов протон проводящим композитом / Перевозникова Я.В., В.К. Перешивайлов, С.Н. Болотникова // XVI межд. науч.-практ. конф. «Теоретические и практические аспекты развития современной науки». - 2015. - С. 23-25.
2. Синева, Я.А. Металлизация гибких углеродных покрытий методом магнетронного распыления / Я.А. Синева, В.К. Перешивайлов, Я.В. Перевозникова // 2-я Межд. молод. Науч.-пр. конф. «Прогрессивные технологии и процессы». - 2015. - С. 40-42.
3. Перевозникова, Я.В. Исследования морфологии и химического состава углеволок-нистого сорбционного активированного материала / Я.В. Перевозникова, В.К. Перешивайлов, С.Н. Болотникова // Эволюция дефектных структур в конденсированных средах сборник тезисов XIV Межд. школы-семинара (ЭДС-2016). - 2016. - С. 72-73.
Pereshibaylov Vitaly Konstantinovich,
General Director of LLC "NESK" (E-mail: vitperes@mail.ru)
Perevoznikova Yana Valerievna, Cand.Tech.Sci., associate professor (E-mail: perevoznikova.j ana@yandex.ru)
Shcherbakova Natalia Nikolaevna, Cand.Tech.Sci., associate professor (E-mail: nn-sar@mail.ru)
OPTIMIZATION VACUUM TECHNOLOGICAL PROCESS OF FORMING METALLIC COATINGS ON ULTRATHIN POLYMER FIBERS Abstract. This article presents the equipment and describes the technology of magnetron sputtering of graphite, which allows controlling the structure of the deposited carbon layers from metallic to amorphous to provide control and repeatability of the thickness of the layer. Keywords: ultra-thin polymeric fibers, nanostructure, graphite, carbon film, vacuum.
