Диссертация (Распыление керамик и керамических композитов потоками ионов низких энергий), страница 12

Аналогичные данные при энергии 300 эВ были получены и на металлах.Однако существуют данные, что на характер зависимости Y ( ) влияет энергияионов, и при еѐ изменении этот максимум может находиться при других углах.Экспериментальная оценка влияния энергии на характер угловой зависимостикоэффициента распыления и положение еѐ максимума проведено на примеренитрида кремния (рисунок 28). Видно, что при увеличении энергии ионовмаксимум крутизна зависимости и относительное значение еѐ максимумаувеличиваются при этом сам максимум смещается в сторону больших угловпадения – в среднем примерно на 0,05о на 1 эВ увеличения энергии.Рисунок 28. Угловые зависимости коэффициентов распыления нитрида кремнияпри различных энергиях ионов65Существует соотношение [28], согласно которому можно определитьзначениеуглападения,соответствующеемаксимальному коэффициентураспыления:5макс2a 02 N 2 / 3 Z 1 Z 2 E RE 0 ( Z 12 / 3 Z 22 / 3 )1/ 2,где E R – энергия Ридберга; E0 – энергия иона.

Согласно этому выражению, навеличинувлияют порядковые номера иона Z 1 и атома облучаемогоmaxматериала Z 2 , а также энергия иона E 0 . Из соотношения следует, что наположение максимума зависимости Y ( ) влияет энергия ионов, а такжепорядковые номера Z1 и Z 2 падающего иона и облучаемого материаласоответственно.Анализируя приведѐнную выше формулу в контексте проводимых внастоящей работе исследований, можно сделать следующее заключение.

Впроведѐнных экспериментах значение Z 1 не менялось, т.к. мишени облучалисьтолько ксеноном ( Z Xe68 ). При этом средние значения Z 2 исследованныхобразцов (за исключением нитрида бора) близки между собой и меняются лишьв некоторых пределах при изменении концентрации нитрида бора в композитах.Очевидно, что при одной и той же энергии ионов (в данном случае 300 эВ) дляисследованных материалов не следует ожидать сколько-нибудь заметногоразличия в положении максимумов зависимости Y ( ) , что и наблюдается напредставленных на рисунке 26 графиках (некоторое отличие (небольшоесмещение в сторону больших углов) наблюдается лишь для нитрида бора, укоторого среднее значение Z 2 меньше по сравнению с остальными керамиками).Такимобразом,длярассматриваемоговданнойработеслучаяединственным фактором, определяющим положение максимума зависимости,остаѐтся энергия ионов, увеличение которой, как видно из формулы, должноприводить к смещению максимума в сторону больших углов.

Результаты расчѐтазначенийmax, проведѐнного с использование данного соотношения для нитридакремния, облучаемого ионами ксенона с энергиями 100-500 эВ, приведены нарисунке29.Здесьжеприведеныопределенные из графиков на рисунке 28.66экспериментальныезначенияmax,Рисунок 29. Расчѐтная зависимость угла падения, соответствующегомаксимуму распыления, от энергии ионовРасчѐтные данные, представленные на рисунке 29, демонстрируют, вцелом, нелинейное увеличение угла падения, соответствующего максимумураспыления. Однако в диапазоне энергий 200-400 эВ эта зависимость близка клинейной, и можно считать, что максимум распыления смещается в среднем на0,08о на 1 эВ увеличения энергии ионов.

Это несколько больше полученного изэкспериментазначения–0,05о.Такоерасхождениерасчѐтныхиэкспериментальных данных объясняется, по-видимому, следующим. Во-первых,соотношение для расчѐтаmax, приведѐнное в [28], получено авторами дляодноэлементных материалов, в то время как в данной работе исследуютсяхимические соединения и их композиты и, соответственно, для расчѐтаиспользуются средние значения характеристик материалов (в данном случаесредние значения порядковых номеров входящих в состав элементов).

Вовторых, экспериментальные значенияmaxполучены не расчѐтом по специальновыведенной для этого формуле, а путѐм компьютерной аппроксимацииэкспериментальных данных во всѐм исследованном диапазоне углов падения. И,в-третьих, используемый в эксперименте поток ионов, как указывалось, сильно67распределѐн по энергии – учитывая нелинейную зависимостьmaxот энергии,это может сказаться на результате эксперимента. Тем не менее, при энергияхионов 300 и 400 эВ расчѐтные значения угла, соответствующего максимумураспыления, очень хорошо совпадают с экспериментальными данными.В любом случае влияние энергии бомбардирующих ионов на положениемаксимума угловой зависимости коэффициента распыления имеет место, однакодля данного диапазона энергий оно не очень заметно.

В гораздо большейстепени энергия ионов влияет на величину этого максимума. Как видно изрисунка 29, при увеличении E 0 с 200 до 400 эВ значениеmaxвозрастает почти в1,5 раза. Для практического применения это обстоятельство является гораздоболее важным, чем не так уж и заметное смещение максимума угловойзависимости распыления.Сравнение полученных результатов с данными других исследователей[112-119], полученных различными методами при наклонных углах паденияионов на поверхность представлено на рисунке 30. Обращает на себя вниманиеРисунок 30 – Сравнение расчѐтных и экспериментальных данных по распылениюкерамических материалов68заметное расхождение результатов, полученных различными авторами, причемдаже для данных, полученных одними и теми же методами. Например, авторыработы [112], исследуя весовым методом коэффициенты распыления нитридабора при облучении ионами ксенона под углом 45о, приводят данные, которыеболее чем в 2 раза превышают значения Y, полученные в [116] тем же весовымметодом и при тех же условиях параметрах облечения.

Что касается результатов,полученных в рамках данного исследования, то они достаточно точно совпадаютс данными, полученными в работах [116] (метод QCM) и [113] (метод лазернойпрофилометрии), однако не вполне соответствуют результатам «весовых»измерений – примерно в 1,5 раза ниже данных, представленных в [112], ипримерно на столько же выше по сравнению со значениями, приведѐнными в[116].69Глава 4. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ НА ИХХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПЫЛЕНИЯВ предыдущей главе было рассмотрено влияние энергии и угла паденияионного потока на количественные характеристики распыления керамическихматериалов,предназначенныхдляиспользованиявконструкцииэлектроракетных двигателей.

На основании полученных данных можно сделатьзаключение, что с точки зрения устойчивости материалов к ионной эрозиинаиболееперспективнымидляиспользованиявразрядныхкамерахиускорительных каналах СПД представляются нитрид бора и оксид алюминия –по крайней мере, по сравнению с остальными исследованными материалами.Вместе с тем, как показывает опыт разработки и эксплуатации СПД,использование нитрида бора и оксида алюминия в чистом виде для указанныхзадач весьма ограничено – из-за неудовлетворительных конструкционныхсвойств этих материалов.

В практических реализациях СПД чаще применяютсякерамические композиты, в состав которых входят как трудно распыляемыекомпоненты (в основном нитрид бора), так и легко распыляемые, что улучшает,по-видимому, конструкционные свойства материала, однако снижает егоустойчивость к ионной эрозии. В этом смысле перед конструкторами иразработчикамиЭРДвозникаетдилемма–обеспечитьвысокиеконструкционные свойства материала за счѐт снижения его эрозионнойстойкости (т.е.

за счѐт сокращения ресурса изделия) или же, наоборот, повыситьресурс изделия за счѐт увеличения радиационной стойкости материала, но, приэтом, ухудшения его конструкционных свойств. Выход из этой дилеммы, повидимому, заключается в нахождении оптимального соотношения между одними другим (т.е. между конструкционными свойствами материала и егоустойчивостью к ионному распылению), что, в свою очередь, требуетисследованиявопросаотом,какменяютсясвойстваматериала(конструкционные, радиационные и прочие) от изменения его состава.Не касаясь конструкционных свойств исследуемых материалов, основнуюрассматриваемую задачу данной главы можно определить следующим образом:исследование влияния состава керамических композитов на их характеристикираспыления.Инымисловами,ставится70задачаисследоватьповедениекоэффициента распыления многокомпонентных керамик в зависимости отконцентрации входящих в их состав компонент во всѐм возможном диапазоне еѐизменения.Если рассуждать о влиянии концентрации компонентов на величинукоэффициента распыления композита, то в первую очередь напрашивается такназываемаяаддитивнаямодельраспыления,согласнокоторойобщийкоэффициент распыления Y будет равен сумме парциальных коэффициентовраспыления исходных компонент Yi , помноженных на их концентрации C i :(Yi Ci ) .YiТакая модель даѐт линейную зависимость Y (C ) , соединяющую, если взять,например, двухкомпонентный композит, значения коэффициентов распылениядлялегкораспыляемогоитруднораспыляемогокомпонентов(еслирассматривать весь диапазон изменения концентрации компонентов от 0 до 1).Действительно,еслиупрощѐннопредставитьрассматриваемыекерамические композиты в виде спечѐнных зѐрен двух различных материалов, тодля бомбардирующего ионного потока облучаемая поверхность будет иметь«мозаичную» структуру, состоящую из элементов двух типов (того или иногокомпонента), равномерно распределѐнных по поверхности пропорциональноисходной концентрации компонент C1 и C 2 .

Причѐм размеры этих элементов (вслучае зѐрен микронного или субмикронного масштаба) бесконечно велики посравнению и с размерами ионов, и даже с областью взаимодействия иона сматериалом. Т.е. область развития ответственного за распыление каскадаатомных столкновений в среднем не выйдет за границы зерна. В случаеоблучения такой двухкомпонентной поверхности распыление будет происходитькак с элементов одного компонента, так и с элементов другого. При этом потерямассы образца (коль скоро здесь используется весовой метод определения Y ) завремя облучениякомпонентов,m1Y1 jбудет равна сумме потерь массы для каждого извеличиныF C1 иm2которых,Y2 jвсвоюочередь,определяютсякакF C2 , где j – плотность ионного тока наповерхности мишени, мА/см2; F – площадь облучаемой ионами поверхности,71см2. Путѐм несложных преобразований можно показать, что общий коэффициентраспыления композита будет соответствовать аддитивной модели распыления:mj FYY1 j F C1Y1 j F C1j FY1C1 Y2 C 2 .Однако в приведѐнных выше рассуждениях, возможно, заложена однанеточность – значения концентраций (либо весовых, либо атомных) исходныхкомпонент приводятся, как правило, по всему объѐму, в то время как ионныхпоток падает на поверхность и взаимодействует, в первую очередь, с ней.Поэтому в данном расчѐте уместнее брать не объѐмные значения концентрациикомпонент, а поверхностные, которые, в свою очередь, определяются, какC1( F )C12 / 3C12 / 3 C 22 / 3коэффициентаиC 2( F )распыленияC 22 / 3.C12 / 3 C 22 / 3композитеТакимотобразом,концентрациивзависимостиегокомпонентпоявляется очевидная нелинейность, и распыление материала подчиняетсянесколько более сложному, чем аддитивный, закону:Y1C12 / 3 Y2 C 22 / 3.C12 / 3 C 22 / 3YПри этом, как нетрудно видеть, поверхностное соотношение компонентотличается от объѐмного C1 C2 и соответствует ему только лишь в случае, когдаисходные объѐмные концентрации компонент равны ( C1Разумеется,суммарногоприведѐнныекоэффициентавышераспыленияC2 ).соотношениякомпозитадляопределенияможносчитатьсправедливыми лишь в первом приближении, т.к.