Научная статья на тему 'Перспективный метод соединения неметаллических материалов электронной техники'

Перспективный метод соединения неметаллических материалов электронной техники Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
260
64
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СОЕДИНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ / КВАРЦ / СИТАЛЛ / ФЕРРИТЫ / КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР / МОДЕЛИ / MATERIAL BINDING / QUARTZ / GLASS-CERAMICS / FERRITE / OSCILLATING CIRCUIT / MODELS ARE REPRESENTED IN THIS WORK

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Конюшков Владимир Геннадьевич, Балакин Александр Николаевич

Приведены физико-технические основы соединения неметаллических материалов (кварцев, ситалла, ферритов и др.) с металлами и друг с другом через электрически взрываемые прослои в вакууме.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Конюшков Владимир Геннадьевич, Балакин Александр Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Perspective method of binding nonmetallic materials of electronic technics

Physic & technical binding basis of nonmetallic materials (quartz, glass-ceramics, ferrite and others) with metals and each other through electrically blast streaks in vacuum are given here.

Текст научной работы на тему «Перспективный метод соединения неметаллических материалов электронной техники»

ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОТЕХНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 621.791

В.Г. Конюшков, А.Н. Балакин ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МЕТОД СОЕДИНЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Приведены физико-технические основы соединения неметаллических материалов (кварцев, ситалла, ферритов и др.) с металлами и друг с другом через электрически взрываемые прослои в вакууме.

Соединение материалов, кварц, ситалл, ферриты, колебательный контур, модели.

V.G. Konyushkov, A.N. Balakin PERSPECTIVE METHOD OF BINDING NONMETALLIC MATERIALS OF ELECTRONIC TECHNICS

Physic & technical binding basis of nonmetallic materials (quartz, glass-ceramics, ferrite and others) with metals and each other through electrically blast streaks in vacuum are given here.

Material binding, quartz, glass-ceramics, ferrite, oscillating circuit, models are represented in this work.

Введение

Развитие и совершенствование современной электроники приборостроения, авиационной и других отраслей промышленности невозможно представить без применения новых конструкционных материалов на основе керамики, ситаллов, кварца, ферритов и других неметаллических материалов. Эти материалы созданы на основе оксидов различных элементов и обладают уникальными физико-химическими свойствами.

Соединения этих материалов с металлами и друг с другом широко применяются для крепления элементов высокочастотных систем, для смотровых и волноводных окон, оболочек и корпусов электронных и газоразрядных приборов, для фотокатодов в приборах ночного видения, корпусах лазерных гироскопов, в ускорительной технике, при изготовлении ювелирных изделий и др. Традиционные методы получения таких соединений - склеивание и пайка - далеко не всегда обеспечивают высокую прочность, вакуумную плотность, термостойкость, надежный тепловой и электрический контакт, сохранение свойств при длительном хранении.

Методы сварки с высокоинтенсивным воздействием параметров - сварка взрывом, ударная сварка в вакууме, магнитоимпульсная сварка, вакуумно-термическая магнитоимпульсная обработка не могут найти обоснованного применения для изготовления таких узлов.

Наиболее перспективным методом получения металлокерамических узлов является диффузионная сварка в вакууме (ДСВ). Однако в последние годы возникают задачи, которые практически невозможно решить в рамках традиционных технологических воздействий параметров ДСВ.

Не известны работы по сварке неметаллов с неметаллами указанными выше способами, в том числе и ДСВ. Соединение материалов с использованием электрического взрыва прослоев в вакууме (СВзПВ) позволяет решить эти задачи.

В литературе эти процессы исследованы недостаточно и в основном для проволочных проводников. Для плоских они практически не изучались.

Предмет данной публикации - разработка принципов, моделей и нанотехнологий соединения конструкционных неметаллов с металлами и с неметаллами через электрически взрываемые прослои в вакууме.

Анализ теоретических и экспериментальных результатов электрического взрыва

Для электрического взрыва проводников используется схема колебательного контура с переменным сопротивлением.

Модель процесса взрыва прослоев при сварке диэлектриков представляет собой дифференциальное уравнение, описывающее последовательный колебательный контур с переменным сопротивлением:

4-V(t) + Ro + Rn(t) • dV(t) + — • V(t) = 0, dt2 L dt L • C

где Rn(t) - эмпирическая функция сопротивления проводников; V - напряжение на конденсаторе; Ro, Rn - сопротивление внешней цепи и начальное сопротивление проводников; C, L - емкость конденсаторов и индуктивность цепи разряда.

На графиках (на рис. 1) показаны зависимости сопротивления проводника, тока в цепи разряда, напряжения на батарее конденсатора и на проводнике от времени. С участием сопротивления прослоя они позволяют рассчитать оптимальные параметры цепи для «быстрого» взрыва.

Впервые сделана попытка разработать перколяционную модель электрического взрыва прослоев из фольги и подтвердить ее экспериментально.

Металлические прослои имеют зернистое строение. Электросопротивление границ зерен, мелкодисперсных фаз и других неоднородностей отличается от

электросопротивления металла внутри зерен. Здесь оно значительно меньше.

В связи с этим плоский проводник представлен в виде сетки сопротивлений со случайным или регулярным разбросом номиналов сопротивлений.

Цепь рассчитывается матрично-топологическим методом.

Расчеты велись в среде Mathcad на ЭВМ АМD Athlon(tm) 64X2 Dual Core Processor 4800+2,50 ГГц, 2 ГБ ОЗУ. Время одного испытания с сеткой 100*100 составляет около 2 мин. Усреднение проводилось по З0 испытаниям. Общее время расчета 60 мин.

Температура ветвей для двух моментов времени показана на рис. 2 а, б. Отчетливо видны «пики» взрыва на границах зерен.

Согласно предложенной перколяционной модели и экспериментальным результатам представляется следующая физическая картина электровзрыва проводника. Так как электросопротивление границ зерен значительно больше сопротивления в объеме, то плавление начинается с границы зерен и распространяется в их глубь. Однако общая доля расплавленных зерен не превышает 0,l.

Рис. 1. Зависимость сопротивления проводника (а), тока в цепи разряда (б), напряжения на батарее (в) и на проводнике (г) от времени разряда при = 0,1 Ом, £ = 3-10-7 Гн, С = 10_6 Ф и начальном сопротивлении проводника 0,01 Ом (М = 13,198 Дж, М = 50 Дж)

Тяд(3,1-10-5, 0,1, 1000,3-10_6)

ГНд (3,1-10-5, 0,1, 1000,1-10“7), ГНд (3,1-10-5, 0,1, 1000,3-10-7), ГКд (3,1-10-5, 0,1, 1000,1 10-6)

б

а

б

в

г

а

Рис. 2. Распределение температуры по площади проводника для трех последовательных моментов времени

Для определения механизма взаимодействия материалов при СВзПВ исследованы кристаллографические аспекты образования соединений разнородных материалов в твердом состоянии при невысоких температурах, когда гетеродиффузия или диффузия на поверхности сварки не имеет ощутимого развития. По аналогии с диффузионной сваркой такое соединение может быть классифицировано как соединение адгезионного типа.

Исследования дифрактограмм металлической фольги после сварки с использованием СВзПВ представлены на рис. 3, а исходной фольги из материала 47НД -

на рис. 4, векторами предпочтительной ориентации кристаллографических плоскостей, ограничивающих фольгу.

Исходная фольга ориентирована плоскостью (2GG) или, что то же самое, плоскостью (1GG) к плоскости прокатки, а переплавленная СВзПВ плёнка на поверхности ситалла - плоскостью (222) или, что то же самое, плоскостью (111) к поверхности подложки.

Рис. 3. Кристаллографическое состояние Рис. 4. Кристаллографическое состояние

прослойки после воздействия СВзПВ фольги (исходное состояние)

Таким образом, плавление и кристаллизация привели к переориентации предпочтительных кристаллографических направлений в металлической прослойке.

Проведённые рентгеноструктурные исследования поверхности никелевой

прослойки после разрушения соединения по границе контакта показали существенное изменение интенсивностей рефлексов от плоскостей с малыми индексами Миллера. Табличное соотношение интенсивностей рефлексов плоскостей (111):(200):(220):(311) составляет соответственно 100:50:32:32, а после соединения 100:394:124:106. Это свидетельствует о том, что при кристаллизации зерна N1 ориентируются к подложке преимущественно гранями куба элементарной ячейки. Можно полагать, что термодинамически это приводит к большему выигрышу энергии, поскольку свободная энергия грани куба ячейки никеля составляет 1060 мДж/м3, а плоскости пространственной диагонали (111) - 926 мДж/м.

Это обеспечивает возможность при использовании СВзПВ получать качественные соединения металлов и неметаллов, а также неметаллов с неметаллами (керамика + ферриты, ситалл + кварцевое стекло, рубин + рубин и др.).

Выводы

На основании исследований решена актуальная научная задача, заключающаяся в разработке основ нанотехнологий соединения материалов через электрически взрываемые прослои в вакууме при пониженных температурах и давлениях, обеспечивающая получение качественных соединений металлов, металлов с неметаллическими материалами и неметаллов с неметаллами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зоркин А.Я. Модель процессов соединения диэлектриков способом взрывающихся проводников / А.Я. Зоркин, О.Ю. Жевалев, В.Г. Конюшков // Быстрозакаленные материалы и покрытия: сб. тр. 7-й Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф. М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского. 2008. С. 390-394.

2. Мусин Р. А. Кристаллографические аспекты образования соединений разнородных материалов в твердой фазе / Р.А. Мусин, Г.В. Конюшков, В.Г. Конюшков // Современные проблемы машиностроения: тр. IV Междунар. науч.-техн. конф. Томск: ТГУ, 2008. С. 418-422.

3. Конюшков В.Г. Перколяционная модель электрического взрыва проводников в вакууме / В.Г. Конюшков // Вакуумная наука и техника: материалы XVI науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. М.: МИЭМ 2009. С. 47-51.

4. Конюшков В.Г. Нанотехнологии при сварке через электрически взрываемые прослои в вакууме / В. Г. Конюшков // Успехи современной электротехнологии: труды Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. С. 211-214.

Конюшков Владимир Геннадьевич -

аспирант кафедры

«Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета

Балакин Александр Николаевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета

Konyushkov Vladimir Gennadyevich -

Post-graduate Student of the Department of «Electronic Machine Building and Welding» of Saratov State Technical University

Balakin Aleksandr Nikolayevich -

Candidate of Technical Sciences,

Assistant Professor of the Department of «Electronic Machine Building and Welding» of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 02.02.10, принята к опубликованию 08.04.10

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.