Диссертация (Распыление керамик и керамических композитов потоками ионов низких энергий), страница 2

Приведены данные обионном распылении керамик и керамических композитов, опубликованные воткрытой печати, и показана их недостаточность для решения практическихзадач в области электроракетных двигателей и ионно-плазменных ускорителейиного назначения. На основании анализа литературных данных определены целии задачи данной работы и методы их решения.Вторая глава содержит описание методики проведения экспериментов поионному распылению керамических материалов, а также разработанной для этойцели установки и еѐ основных элементов.

Обоснованно выбран весовой методопределения характеристик распыления, позволяющий определять количествораспыленных частиц непосредственно из эксперимента. Разработана методикаопределения коэффициентов распыления, учитывающая особенности поведения6пористых материалов в вакууме, влияние вакуумных условий и плотностиионного тока на степень загрязнения поверхности адатомами, а такжевозможнойзарядкиЭкспериментальнодиэлектриковопределенывусловияхосновныеионногопараметрыоблучения.ионногопотока(энергетическое распределение ускоренных частиц, средняя энергия ионов,пространственная расходимость потока) на различных режимах работыиспользуемогоионногоисточника.коэффициентараспыленияВыявленакерамическихиизученаматериаловотзависимостьдозыионногооблучения, имеющая в данной работе в основном методическое значение.Третья глава посвящена описанию результатов экспериментальногоисследования зависимости интегральных характеристик распыления керамик икерамических композитов от энергии и угла падения бомбардирующих ионов.Исследован ряд однокомпонентных керамик и керамических композитов сразличным соотношением исходных компонент в диапазоне энергий ионов от100 до 400 эВ и углов падения от 0 до 70о (угол отсчитывается от нормали кповерхности).Полученыэнергетическиезависимостикоэффициентовраспыления, демонстрирующие практически линейный (в данном диапазонеэнергий) рост исследуемых значений при увеличении энергии.

Угловыезависимости коэффициента распыления имеют ярко выраженный максимум вобласти углов падения – 55-60о при энергии ионов 300 эВ. Приведено сравнениеполученных результатов с экспериментальными и расчѐтными данными другихавторов,демонстрирующеевбольшинствеслучаевудовлетворительноесовпадение данных.Четвертая глава посвящена изучению влияния концентрации исходныхкомпонент на характеристики распыления керамических композитов различногосостава. Исследованы зависимости коэффициента распыления ряда бинарныхкерамических композитов от концентрации компонент во всѐм возможномдиапазонееѐизменения.Обнаруженанеаддитивностьзависимостей,свидетельствующая о более сложном механизме формирования суммарногокоэффициента распыления многокомпонентных структур.Впятойглавепредставленырезультатыисследованиявлияниятемпературы поверхности на характеристики ионного распыления керамик и их7композитов.

Проведена экспериментальная оценка возможных потерь массыисследуемых мишеней, связанная не с самим распылением, а с десорбцией засчѐт вакуумирования и нагрева, что является важным фактором прииспользовании весового метода. На основании этой оценки уточнена методикаопределения коэффициента распыления, позволяющая с высокой точностьюопределить потери массы мишени за счѐт распыления.

Определены зависимостикоэффициента распыления керамик и керамических композитов от температурыповерхности в диапазоне температур от 300 до 1100ОС. Показано, что винтервале температур 300-650ОС коэффициенты распыления практически неменяются, после чего начинают резко увеличиваться, достигая в зависимости отматериала в 2-4 раза больших значений при температуре 1100ОС.

Впервыеисследовано влияние температуры поверхности на угловые зависимостираспыления. Обнаружено, что при более высоких температурах относительноезначение максимума угловой зависимости снижается, а сама зависимостьстановится более пологой.В Заключении приводится краткое изложение полученных результатов,их обобщение и выводы, а также даѐтся оценка возможного использованияисследованных керамик и керамических композитов в существующих иразрабатываемых СПД.Научная новизна. В процессе выполнения исследований, составившихоснову данной работы, получены впервые следующие результаты:1. Исследована дозовая зависимость коэффициента распыления рядакерамик и керамических композитов, имеющая место в начальный периодионного облучения многокомпонентной поверхности.

В научном планеналичие такой зависимости является весьма важным фактором, т.к.свидетельствуетопротеканиивмногокомпонентныхматериалахпереходного процесса, связанного с изменением состава и структурыповерхностных слоѐв и формированием микрорельефа поверхности.2. Исследованоповедениекоэффициентовраспылениякерамикикерамических композитов в зависимости от энергии и угла падениябомбардирующих ионов. Получены новые количественные данные о8распылении многокомпонентных материалов в условиях воздействия наих поверхность ионов больших масс и низких энергий.3. Впервыебинарныхпроанализированакерамическихзависимостькомпозитовкоэффициентаотраспыленияконцентрацииисходныхкомпонент во всѐм возможном диапазоне еѐ изменения.

Показаноотклонение зависимости от аддитивного закона.4. Исследованазависимостькерамическихкомпозитовкоэффициентаотраспылениятемпературыкерамикповерхности.иВпервыеобнаружено, что, в отличие от металлов, рост коэффициента распылениянаблюдается не вблизи температуры плавления материала (для металлов0,8 Tпл), а значительно раньше. Это свидетельствует о том, что увеличениеинтенсивностираспыленияс ростомтемпературысвязанонесиспарением, как считалось ранее, а с увеличением собственной энергииатомов материала, что эквивалентно снижению потенциального барьерана поверхности.5. Впервые исследовано влияние температуры поверхности на угловуюзависимость коэффициента распыления.

Обнаружено, что с увеличениемтемпературы относительный максимум зависимости снижается, а самазависимость становится менее резкой.Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлениемполученных в работе данных с экспериментальными и расчетными данными,полученными другими исследователями.Практическая ценность результатов, приводимых в данной работе,заключается в следующем:1. Создана база данных по ионному распылению широкого круга керамик икерамических композитов при облучении их поверхностей ионами низкихэнергий, пригодная для использования в инженерных расчѐтах.

При этомисследованные материалы относятся к разряду технических (либообщетехнического назначения, либо разработанных специально дляиспользования в СПД).2. Исследованные зависимости коэффициента распыления керамическихкомпозитов от концентрации исходных компонент в сочетании с9аналогичными зависимостями прочих характеристик (теплофизических,прочностных и др.) позволяют оптимизировать выбор материала приразработке перспективных моделей СПД и прогнозировать их ресурс.3. Сформулированырекомендациипопрактическомуиспользованиюисследованных материалов в конструкции разрядных камер СПД, а такжепо разработке керамик и керамических композитов для перспективныхмоделей данного вида техники.Апробация работы.

Основные результаты, изложенные в диссертации,докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:- на Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью»(Ion-Surface Interactions) – 1997, 2001, 2003, 2005 и 2013 г.г.;- наМеждународнойконференциипоэлектроракетнымдвигателям(International Electric Propulsion Conference) – 1999, 2001 и 2007 г.г.;- на Межвузовском семинаре «Плазма – поверхность» (МАИ, кафедра«Авиационная и ракетно-космическая теплотехника, руководитель Ю.А.Рыжов) – 2008 г.Помимо этого результаты работы использовались на аэрокосмическихпредприятиях при проектировании стационарных плазменных двигателей, вчастности ОКБ «Факел», ИЦ им.

М.В. Келдыша, НИИ ПМЭ МАИ, Cauffman &Robinson (США), Jet Propulsion Laboratory (США) и SNECMA (Франция).Публикации. Представленные в диссертации результаты исследованийопубликованы в 12 статьях в реферируемых журналах, а также тематическихсборниках статей.На защиту выносятся:1. Методикаопределениякерамическихкоэффициентовкомпозитов,учитывающаяраспыленияособенностикерамикиповедениядиэлектрических материалов в условиях воздействия заряженных частиц,а также особенности поведения пористых структур в условиях вакуума ивысоких температур.2. Количественныеданныепоионномураспылениюкерамикикерамических композитов, а также их зависимости от энергии и углападения ионов.103. Результаты исследования влияния концентрации компонент на величинукоэффициента распыления бинарных керамических композитов.4.

Результатыисследованиявлияниятемпературыповерхностикерамических материалов на величину их коэффициентов распыления.5. Выводы и рекомендации по практическому использованию полученныхданных при разработке ЭРД.11ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ИОННОГОРАСПЫЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ1.1. Керамики и их применение в стационарных плазменныхдвигателяхКакпоказываетроссийскийизарубежныйопытразработкииэксплуатации стационарных плазменных двигателей, одной из главных причинограничения их ресурса является эрозия разрядной камеры и ускорительногоканала, происходящая в результате взаимодействия потока ускоренных ионов состенкой.

Изменение геометрии ускорительного канала ведет к ухудшениюпараметров работы двигателя. В конечном счѐте, эрозия приводит к полномуизносу ускорительного канала (в основном, его выходной части), в результатечего ионный поток взаимодействует уже с элементами магнитной системыдвигателя, обладающими низкой устойчивостью к распылению. В этом случаересурс двигателя определяется как время, которое он работает до началавзаимодействия потока ионов с полюсами магнитной системы – для образцовСПД,предназначенныхдлястендовых(ресурсных)испытаний,ресурсопределяется именно так.

Для лѐтных же образцов ресурс определяется иначе –временем, в течение которого рабочие параметры двигателя находятся взаданных ТЗ пределах.Очевидно, что на величину ресурса двигателя в первую очередь влияетстепень эрозионной стойкости материала разрядной камеры. Поэтому многиеисследовательские лаборатории ведут поиск новых керамик, обладающихповышенной стойкостью к ионному распылению и способных длительное времяработать в условиях интенсивной бомбардировки ионами используемых в СПДрабочих газов.В качестве рабочего газа для лѐтных образцов СПД служит, как правило,ксенон. Стенки разрядных камер для первых экспериментальных двигателейизготавливались из кварца [5] или алунда [6].