CC BY
81
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
