Диссертация (Распыление керамик и керамических композитов потоками ионов низких энергий), страница 11

На рисунке 23 представлены зависимости коэффициента распыленияуказанных материалов от энергии ионов, полученные при нормальном углепадения (при этом в качестве значении Y при энергии 300 эВ указаны значения,возле которых стабилизируются кривые Y (D) ). В экспериментах исследовалисьдва образца диоксида кремния, два – оксида алюминия и по одному – нитрида икарбида кремния. Что касается нитрида бора, то были исследованы несколькообразцов различной структуры – ромбической и гексагональной, при этомданные для различных образцов одной и той же структуры приведены награфиках одинаковыми символами.Рисунок 23.

Зависимость коэффициента распыления однокомпонентныхкерамик от энергии ионовГрафики, представленные на рисунке 23, показывают, что коэффициентыраспыления исследуемых керамик с увеличением энергии увеличиваются, при58этом зависимости Y ( E0 ) для данного энергетического диапазона близки клинейным, что соответствует большинству экспериментальных и расчѐтныхданных для одноэлементных материалов. Следует отметить, что по величинекоэффициента распыления материалы сильно различаются. Наибольшимизначениями коэффициента распыления обладает диоксид кремния. Несколькониже (примерно на 7-9%) значения Y для нитрида кремния.

Ещѐ ниже(примерно на 20-25%) коэффициенты распыления для карбида кремния.Наименьшими коэффициентами из исследованных керамик обладают оксидалюминия и нитрид бора – их значения по сравнению и SiO2 и Si3N4 в среднем в5-8 раз ниже.Что касается влияния кристаллической структуры материала на величинукоэффициентараспыления,исследованногонапримеренитридабора(исследованы ромбическая и гексагональная структуры), то оно незначительно.Несколько более высокие значения Y демонстрирует нитрид бора ромбическойструктуры, однако это превышение малозаметно – в пределах погрешностиэксперимента. К тому же не исключено, что при таких дозах ионного облученияпроисходит перестройка поверхностных слоѐв материала (по крайней мере, наглубину развития каскада столкновений, приводящего к распылению), иговорить об исходной упорядоченности атомов не имеет смысла.

В связи с этимпри дальнейшем исследовании характеристик распыления нитрида бораразличие структур материала не учитывалось – исследовались, как правило, обаобразца (и с той, и с другой структурой), однако значения их коэффициентовраспыления усреднялись.Графики, представленные на рисунке 23, говорят о том, что с точкизрения повышения ресурса ускорительных каналов СПД целесообразноприменять в их конструкции такие керамики, как нитрид бора или оксидалюминия.Однаковчистомвидеэтиматериалы,обладаявысокойустойчивостью к ионной эрозии, не в полной мере удовлетворяют разработчиковэлектроракетных двигателей по конструкционным и многим физическимсвойствам. В связи с этим в 70-80-х годах для задач СПД был предложен рядкерамических композитов, в основу которых входила какая-либо из труднораспыляемых керамик – либо нитрид бора, либо оксид алюминия.59Таких композитов было предложено немало.

Наиболее интересными изних, с точки зрения величины коэффициента распыления, оказались сиалон(Si4,5-Al1,5-O1,5-N), АБН (AlN+BN), СБН (сиалон в смеси с нитридом бора) и БГП(боросил горячепрессованный), в состав которого входили BN и SiO2.Зависимости коэффициентов распыления этих композитов от энергии ионовпредставлены на рисунке 24.Рисунок 24.

Зависимость коэффициента распыления керамических композитовот энергии ионовИз рисунка 24 видно, что картина распыления в зависимости от энергииионов качественно аналогична распылению однокомпонентных керамик:зависимость Y (D) по мере накопления дозы снижается и в дальнейшемстабилизируется, а зависимость Y ( E0 ) является для данного диапазона энергийвозрастающей и близка к линейной.

Однако в количественном смысле картинанесколько отличается – значения коэффициентов распыления исследованныхкомпозитов ниже, чем у легко распыляемых оксида и нитрида кремния, но выше,чем у трудно распыляемых нитрида бора и оксида алюминия. При этом60наилучшими характеристиками распыления обладает материал БГП, состоящий(по данным изготовителя) из 70% нитрида бора и 30% диоксида кремния.По-видимому, исследованные композиты обладают и более приемлемымиконструкционными свойствами, чем однокомпонентные керамики, т.к. все онитак или иначе рассматривались для использования в СПД или применялись в них(например, АБН и БГП).

Более того, композит БГП до сих пор применяется вконструкции СПД, и, в частности, из него изготовлена для разрядная камера иускорительный канал российско-французского двигателя (ОКБ «Факел» иSNECMA), демонстрирующего рекордный для СПД ресурс: 11,5 тыс. часов –стендовый и 5,5 тыс. часов – лѐтный.На рисунке 25 приведено сравнение полученных в настоящей работеэкспериментальных результатов с расчѐтными (МД моделирование [120]) иэкспериментальными[122]данными,полученнымирядомзарубежныхисследователей.

Видно, что полученные данные несколько ниже приведѐнных вРисунок 25. Сравнение расчѐтных и экспериментальных данных по распылениюкерамических материалов61[120 и 122] результатов (особенно для диоксида кремния). Однако в целомможно отметить удовлетворительное совпадение данных, как с расчетом, так и сэкспериментом.3.2. Зависимость коэффициента распыления от угла падения ионовОпределениеугловыхзависимостейкоэффициентараспыленияпроводилось в целом по той же схеме (рисунок 5), что и энергетических, однакобыло несколько отличий. Во-первых, исследуемые мишени располагались не понормали к ионному потоку, а под углом.

Во-вторых, чтобы уменьшить угловуюрасходимость потока, не сильно влияющую на результат эксперимента при«нормальном» облучении поверхности, но способную внести заметные ошибки врезультат при больших углах установки мишени, диаметр коллимирующейдиафрагмы был снижен с 12 мм до 5 мм. И, в-третьих, возникла необходимостьувеличения времени облучения образцов, поскольку из-за уменьшения сечениядиафрагмы ионный ток на поверхности мишени снизился в несколько раз, и,соответственно, потери массы образцов, требуемые при расчѐте значений Y ,также уменьшились. Правда, рост коэффициентов распыления с увеличениемугла падения в какой-то мере компенсировал снижение величины ионного тока,однако, чтобы сохранить еѐ значение на уровне 2-4 мг, время экспозиции былоувеличено, в среднем, в 1,5 раза по сравнению с облучением по нормали.Угловые зависимости коэффициентов распыления определялись при углахпадения ионов на поверхность, лежащих в диапазоне от 0 до 70-75о (уголотсчитывается от нормали к поверхности).

Увеличение угла падения свыше 75о вданном случае не имело смысла, т.к. из-за оставшейся всѐ-таки расходимостипотока и ярко выраженного поперечного распределения плотности ионного тока(к тому же расширяющегося с удалением от среза диафрагмы) сильно возрасталипогрешности экспериментов (главным образом, в достоверном определениисреднего угла падения ионов).Значениякоэффициентовраспыленияисследованныхкерамикикерамических композитов в зависимости от угла падения ионов, полученные приэнергии ионов 300 эВ, представлены на рисунке 26 (приведены данные,62нормированные значениями Yпри облучении исследуемых образцов понормали).Рисунок 26.

Зависимость нормированных значений коэффициента распылениякерамических материалов от угла падения ионов на поверхность (уголотсчитывается от нормали к поверхности).Из рисунка видно, что характер зависимостей Y ( ) для исследованныхкерамических материалов совпадает с общепринятыми представлениями овлиянии угла падения ионов на распыление и большинством экспериментальныхданных, полученных для других материалов.

По мере увеличения угла паденияионов значения коэффициентов распыления монотонно возрастают, достигаютмаксимума и затем начинают снижаться, стремясь, по-видимому, к 0 при углахпадения, близких к 90о. При этом до углов, близких к максимуму распыления,зависимость Y ( ) достаточно точно описывается выражением Y ( ) ~ Y0 cosn,где Y0 – значение коэффициента распыления при облучении поверхности понормали (0 ), а n – параметр, зависящий от энергии ионов и свойствоблучаемого материала.Подобный характер изменения угловой зависимости коэффициентараспыления можно объяснить двумя следующими причинами. С одной стороны,с увеличением угла падения иона уменьшается глубина проникновения иона в63материал. Цепочки каскадных столкновений, в результате которых распыляютсяатомы на поверхности, развиваются вблизи поверхности материала и становятсяболеекороткими.повышаетсяСледовательно,вероятностьпередачиатомамэнергии,поверхностнымдостаточной для распыления.

При этом инаправлениеиономимпульса,смещѐннымнаклонныхуглахпередаваемогоатомам,паденияприболееблагоприятно для распыления, чем приоблучении по нормали. С другой стороны,при слишком больших углах паденияионавозрастаетвероятностьегообратного рассеяния без проникновения вматериал и, соответственно, без передачиРисунок 27 [19]. Схемавзаимодействия иона споверхностью материала приразличных углах паденияэнергии атомам. Иллюстрацией этого служит схема взаимодействия иона споверхностью материала при различных углах падения, приведѐнная на рисунке27 [19].Из представленных угловых зависимостей коэффициентов распылениякерамических материалов можно сделать два основных вывода.Во-первых,повеличинемаксимумазависимостиисследованныематериалы отличаются друг от друга. При этом, анализируя нормированныеугловые зависимости, можно отметить одну закономерность – материалы сменьшим коэффициентом распыления имеют более выраженную (более резкую)зависимость коэффициента распыления.

Это же обстоятельство отмечалось и в[19], где в качестве объяснения этого эффекта было выдвинуто следующеесоображение. Вероятность взаимодействия иона с атомом определяетсясечением взаимодействия. Материалы с высоким коэффициентом распыленияобладают большим сечением взаимодействия, которое при изменении углападения изменяется мало. У трудно распыляемых материалов сечениевзаимодействия при «нормальном» облучении мало, однако при изменении угла64падения ионов на поверхность оно заметно увеличивается – в большей степени,чем у легко распыляемых материалов.Во-вторых, при энергии ионного потока 300 эВ максимум зависимостидля всех исследованных материалов наблюдается при углах падения ионов 5560о.