Диссертация (Распыление керамик и керамических композитов потоками ионов низких энергий)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯМОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиСЕМЕНОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧРАСПЫЛЕНИЕ КЕРАМИК И КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВПОТОКАМИ ИОНОВ НИЗКИХ ЭНЕРГИЙСпециальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели иэнергоустановки летательных аппаратов»ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководителькандидат технических наук,профессор И.И. ШкарбанМосква, 2015 г.ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Ведение ………………………………………………………………………….3Глава 1. Современное состояние исследований ионного распылениякерамических материалов ……………………………………………………...121.1. Керамики и их применение в стационарных плазменных двигателях121.2.

Краткие сведения о механизме ионного распыления ………………...141.3. Исследование распыления керамических материалов ………………28Глава 2. Экспериментальная установка и методика проведенияэксперимента ……………………………………………………………………352.1. Источник ионов и параметры ионного потока ………………………..372.2. Динамическая чистота поверхности …………………………………...482.3. Проверка работоспособности методики эксперимента ………………512.4. Зависимость коэффициента распыления от дозы облучения ………..52Глава 3. Зависимость коэффициентов распыления керамическихматериалов от энергии и угла падения ионов ………………………………...563.1.

Зависимости коэффициента распыления от энергии ионов ………….573.2. Зависимость коэффициента распыления от угла падения ионов …….62Глава 4. Влияние состава керамических композитов на их характеристикираспыления ……………………………………………………………………...70Глава 5. Зависимость распыления керамических материалов оттемпературы поверхности ……………………………………………………...825.1. Уточнение методики эксперимента для повышенных температур ….845.2. Температурные зависимости коэффициентов распыления …………..875.3. Влияние температуры на угловые зависимости коэффициентараспыления …………………………………………………………………...88Заключение ……………………………………………………………………...92Литература ………………………………………………………………………962ВВЕДЕНИЕИнтерес к распылению керамических материалов под действиемускоренных ионов атомного масштаба обусловлен, прежде всего, их широкимиспользованием в различных ионных и плазменных устройствах.

Потребность вколичественных данных по ионному распылению керамик и их композитовиспытывает практически любое направление техники, связанное с разработкойили эксплуатацией ионно-плазменных источников и ускорителей. В первуюочередь это относится к электрореактивным двигателям (ЭРД) и, в частности,активно эксплуатируемым в настоящее время стационарным плазменнымдвигателям (СПД), используемым в качестве двигателей стабилизации икоррекции орбит космических летательных аппаратов. Наличие таких данныхинтересно и необходимо как с точки зрения прогнозирования ресурса этихдвигателей, так и с точки зрения их воздействия на окружающие объекты. Воткрытой литературе такие данные встречаются достаточно редко, при этомотносятся в основном к области больших энергий и, как правило, получены наоднокомпонентных керамиках.Актуальность данной работы заключается в том, что в ней исследуютсяне только чистые, т.е.

однокомпонентные керамики, но и керамическиекомпозиты,реальноиспользуемыевлѐтныхобразцахСПДилирассматриваемые к использованию в перспективных моделях данного видатехники.Использованиестационарныхплазменныхдвигателейвсоставекосмических аппаратов с длительным сроком эксплуатации ставит перед нимидостаточно высокие требования по ресурсу – 5-10 и более тысяч часов [1].

Приэтом, как показывает опыт эксплуатации СПД, одной из основных причинограничения их ресурса является эрозия стенок разрядной камеры иускорительного канала, вызываемая распылением материала под воздействиемускоренного плазменного потока. Результатом эрозии является изменениегеометрии ускорительного канала, что приводит к деградации основныхпараметров (КПД, тяга) двигателя и выходу их за предельно допустимыезначения вплоть до полной потери работоспособности.3Одним из наиболее эффективных путей повышения ресурса стационарныхплазменных двигателей является использование материалов, обладающихповышенной устойчивостью к ионному распылению [2, 3, 4]. В этом смыслекерамики, обладая в большинстве случаев высокой энергией связи атомов, т.е.высокойустойчивостьюэлектроизоляционнымиединственнымикионнойэрозии,свойствами,материалами,вявляютсяпригоднымидлясочетаниинасхорошимисегодняшнийразрядныхденькамериускорительных каналов СПД.

Однако различные типы керамик существенноотличаются по своим физическим (в том числе и по ионно-эрозионным) иэксплуатационным свойствам, и далеко не все из них по совокупностихарактеристик пригодны для использования в ЭРД.Строго говоря, проблема ресурса ионно-плазменных устройств (асоответственно, и ионной эрозии материалов) наблюдается не только вкосмических приложениях. Точно такая же проблема имеет место и в областиионно-плазменных технологий, где используются ионные и плазменныеисточники и ускорители, построенные, как правило, по тем же принципам исхемам, что и ЭРД. По всей видимости, проблема ресурса в этой сфере стоит нетак остро, как в электроракетных двигателях – ввиду гораздо больших, чем вкосмосе, возможностей обслуживания технологических установок.

Тем неменее, здесь она тоже существует и, в некоторой степени, определяет стоимостьреализуемых технологических процессов. Поэтому результаты, представленныев данной работе, могут быть востребованы и в технологической сфере.Имея в виду прикладной характер проведѐнных исследований, не следуетзабывать и о научной стороне вопроса. Несмотря на то, что исследованиемпроцесса распыления под действием ускоренных ионизированных частицзанимаются уже более 100 лет, какого-либо единого физического механизма,достоверно объясняющего все закономерности данного явления, не существует.При этом на сегодняшний день исследованы практически все элементы таблицыД.И.

Менделеева, имеющие хоть какое-то значение для практическихприложений – данные по их распылению получены в широком диапазонеусловий облучения и параметров ионных потоков. Однако исследованиераспыления многоэлементных материалов, к коим относятся и керамики,4началось сравнительно недавно, и носят, как правило, «отраслевой» характер,поэтомусколько-нибудьсистематизированныеданныепораспылениюразличных групп материалов (сплавов, химических соединений и т.д.) невстречаются. В этом смысле исследование широкого спектра керамическихматериалов и систематизация экспериментальных данных могут существеннопомочь в понимании физики ионного распыления многокомпонентных твѐрдыхтел и уточнении существующих моделей этого явления.Сучетомэкспериментальноевышеизложенногоисследованиеможноопределитьинтегральныхцельработы:характеристикионногораспыления керамик и их композитов, предназначенных для использования,прежде всего, в СПД и ионно-плазменных ускорителях иного назначения.Решаемые задачи.

Для достижения поставленной цели необходиморешить следующие основные задачи:1. Исследование интегральных характеристик распыления керамик и ихкомпозитов от параметров облучаемого ионного потока (энергии и углападения ионов на поверхность) в диапазоне их изменения, характерномдля СПД.2. Исследование интегральных характеристик распыления керамик и ихкомпозитов от температуры поверхности исследуемых материалов вдиапазоне их изменения, характерном для СПД.3.

Исследование влияния химического состава и концентрации компоненткерамик и керамических композитов на их интегральные характеристикираспыления.Данная работа выполнялась в рамках научных исследований пораспылению конструкционных и функциональных материалов для ЭРД,проводимых в Московском авиационном институте под руководством академикаРАН Ю.А. Рыжова и профессора кафедры «Авиационная и ракетно-космическаятеплотехника», к.т.н. И.И. Шкарбана.В подготовке и проведении экспериментальных работ принимали участиес.н.с., к.т.н.

С.Ю. Михеев, инженеры А.Н. Раннев и А.Ю. Фельдман, старшийтехник Д.А. Карпов, а также студенты старших курсов А.С. Панков, И.А.Черный, А.С. Сударев и М.Ю. Алексеевич.5Всем участникам работ, обеспечивших основу данной диссертации, авторвыражает искреннюю благодарность. Отдельную благодарность автор выражаетпрофессору С.А. Хартову (МАИ, кафедра «Электроракетные двигатели,энергетические и энергофизические установки») и профессору В.П. Киму (НИИПМЭ МАИ) за консультации в области электроракетных двигателей, а такжесотрудникам кафедры «Авиационная и ракетно-космическая теплотехника» заобсуждение представленных в работе результатов и ценные замечания пооформлению работы.Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав,Заключения и Списка использованной литературы. Работа содержит 103страницы, включая 42 рисунка и 3 таблицы.

Список использованной литературысодержит 128 наименований. Материал в работе распределен следующимобразом.Перваяглавадиссертациипосвященааналитическомуобзорусовременного состояния исследований распыления керамических материаловускоренными потоками ионов. Проведѐн анализ значительного количествапубликаций,посвящѐнныхконструкцииСПД,аиспользованиютакжекерамическихтеоретическомуиматериаловвэкспериментальномуисследованию явления распыления, рассмотрены существующие физическиемодели процесса, определены его количественные характеристики и основныефакторы, наиболее сильно влияющие на их величину.