Диссертация (1090422), страница 11
Текст из файла (страница 11)
До 110°С энергия соединения меняетсяслабо. После этой температуры начинается десорбция молекул воды, присутствующих на границе раздела.Когда молекулы воды удаляются с границы раздела, то происходит реакцияобразования ковалентной связи по формуле (1.2). Из-за этого происходит возрастание энергии в интервале температур 100-200°С. В интервале температур 200700°С энергия связи остается практически постоянной и находится в интервале1000 мДж/м2, затем она резко возрастает до величины более чем 2000 мДж/м2, чтосравнимо с когезионной прочностью кремния.53По мнению Plobl и Krauter [25], увеличение энергии соединения после 800°Ссвязано с тем, что до температур 700-800°С соединение происходит не по всейплощади вследствие имеющихся на поверхности микронеровностей. При 800°Скремнезем размягчается и заполняет оставшиеся микропоры.Другой взгляд на физику упрочнения соединения приведен в работе [48].Процесс также разбивается на 3 этапа (здесь анализируется тот же график, представленный на рис.
1.5). На первом этапе при соприкосновении двух гидрофильных поверхностей образуются водородные связи между атомами кислорода и водорода, принадлежащими адсорбированным молекулам воды. Первый этап полностью аналогичен исследованиям, проведенным в [25].Второй этап начинается после подъема температуры до 200°С. При этомпроисходит удаление излишков воды, и соединение осуществляется через двойные водородные связи, образуемые между силанольными группами противоположных поверхностей.
Этим объясняется наличие пологого участка на рис 1.4 длягидрофильных поверхностей в интервале температур 200 - 800°С.При достижении температуры 800°С начинается 3 этап, который заключаетсяв образовании прочной силоксановой связи за счет конденсации силанольныхгрупп с выделением воды.Видно, что температура образования сильной ковалентной связи при соединении окисленного кремния сильно различается по данным разных авторов.
Правильнее использовать данные, приведенные в [25], [46], т.к. реально при температурах выше 150°С было достигнуто упрочнение соединения, разъединение которых без разрушения оказалось невозможным. Это свидетельствует об образовании сильной ковалентной связи между поверхностями. Кроме того, в технологиисоздания ГОК для обеспечения силоксановой связи между поверхностямикремнезема используется нагрев до температуры 250°С [39]. Исходя из этого понятно, что объяснение модели упрочнения соединения, представленные в [48] является недостоверным.54Соединение гидрофобных поверхностейОптический контакт может быть получен и в случае соединения гидрофобных поверхностей [25].
Например, такой поверхностью является поверхностькремния после обработки плавиковой кислотой или фтористым аммиаком. Подобная обработка ведет к покрытию поверхности преимущественно группами SiH с некоторым количеством групп Si-F. При этом обработка плавиковой кислотойможет привести к увеличению шероховатости поверхности.В этом случае связь осуществляется посредством сил Ван-дер-Ваальса междуатомами водорода, принадлежащими противоположным поверхностям (рис.
1.5).При применении подобной обработки некоторое количество атомов фтора илиОН-групп, сформировавшихся в результате реакции Si-F с водой, присутствуютна поверхности и могут образовывать водородную связь между соединяемымидеталями.Рис. 1.5. Соединение гидрофобных поверхностей: а – при комнатной температуре;б – после высокотемпературного нагрева [25].При подобном соединении существовало предположение, что взаимодействие может осуществляться в результате действия только водородных связеймежду молекулами Si-F и Si-OH.
Однако, методами ИК-спектроскопии былоустановлено образование ван-дер-ваальсовых связей между группами Si-H, находящихся на противоположных поверхностях.Энергия ван-дер-ваальсовых взаимодействий меньше энергии водороднойсвязи. Кроме этого, важным фактором является увеличение контактной поверхно-55сти в случае соединения через прослойку воды.
Напротив, в случае контакта гидрофобных поверхностей взаимодействие осуществляется только для атомов,непосредственно сближенных на расстояние действия межмолекулярных сил. Поэтому прочность такого соединения оказывается заметно ниже. Например, длягидрофобной поверхности кремния были получены величины поверхностнойэнергии 20-30 мДж/м2 против 100-150 мДж/м2 для гидрофильной поверхности.Что касается температурной обработки сборки гидрофобных поверхностей,то проведение отжига в течение 150 часов при температурах ниже 300°С практически не повлияло на величину поверхностной энергии (рис.
1.4). Начиная с температуры 300°С начинается активная десорбция водорода с границы контакта ипоявляются связи Si-Si. Около 700°С прочность соединения становится сопоставимой с прочностью материала.Преимущество использования гидрофильных поверхностей подтверждаетсяи исследованиями, проведенными в рамках работы [48]. Здесь был рассмотренэксперимент по определению скорости распространения пятна контакта для соединения плавленого кварца с кремнием, на поверхности которого образовалсяестественный слой оксида, и термически окисленным кремнием в зависимости отпредварительной обработки поверхности. При осуществлении соединения большая скорость распространения волны контакта указывает на большую склонностьк осуществлению соединения и, соответственно, на формирование больших силадгезии между пластинами.
Это утверждение хорошо согласуется с исследованиями, приведенными Любановой в работе [32].Скорость волны контакта пластин кремния, связываемых с плавленым кварцем, определялась наблюдением с использованием видеокамеры. Увеличениепространства контакта измерялось на видеопринтере, а затем вычислялась скорость волны контакта.На рис. 1.6 представлена зависимость скорости распространения пятна контакта для соединения плавленого кварца и кремния, поверхность которого подвергалась различной обработке от времени выдержки образцов до осуществленияконтакта.56Рис. 1.6.
Скорость распространения пятна контакта при соединении: кремния (), окисленного кремния (х), кремния, погруженного в HF (o), отожженного кремния (■) и отожженного окисленного кремния (), связанных со стандартно очищенным плавленым кварцем [48].Для нас наибольший интерес представляют эксперименты, проведенные длягидрофобных пластин, отожженных при 900С. Непосредственно после отжигаскорость распространения соединенной области происходит достаточно медленно.
В этом случае создание контакта возможно лишь при приложении внешнегодавления. Во время выдержки пары воды, содержащиеся в атмосфере, начинаютадсорбироваться на поверхности и постепенно разрывать силоксановые связи. Таким образом, поверхность постепенно покрывается все большим числом силанольных групп.Видно, что тенденция поверхностей к осуществлению контактного взаимодействия зависит от свойств поверхности.
Большие скорости распространенияпятна контакта найдены исключительно для гидрофильных пластин, в то времякак гидрофобные пластины имеют низкие скорости.571.9. Методы упрочнения оптического контактаКак известно, одним из основных недостатков ОК является его малая механическая прочность. Увеличение этой характеристики при условии обеспечениявозможности разборки соединения является актуальной задачей для лазерной гироскопии. Решение проблемы возможно различными методами.В работе [46] предлагается один из способов упрочнения соединения, заключающийся в обработке соединяемых поверхностей при комнатной температурераствором гидроксида аммония (NH4OH).
В результате такой обработки поверхность окисленного кремния покрывается, главным образом, поверхностными OHгруппами и NH2-группами. Оба соединения могут участвовать в образовании водородной связи, соединяющей поверхности при контакте. В этом случае реакции,проходящие на границе раздела при повышении температуры, могут быть выражены формулами (1.2, 1.8-1.9):Si-OH + HO-Si Si-O-Si + HOH(1.2)Si-NH2 + HO-Si Si-O-Si + NH3(1.8)Si-NH2 + H2N-Si Si-N-N-Si + 2H2(1.9)При обработке поверхности с помощью гидроксида аммония процесс образования прочного соединения будет происходить быстрее, чем в случае использования стандартной очистки.
Это связано с несколькими факторами: во-первых, увеличение pH раствора в присутствии NH4OH способствует ускорению протеканийреакций полимеризации; во-вторых, реакция (1.8) в отличие от (1.2) практическинеобратима до температур ниже 500°С; в-третьих, водород, образовавшийся в результате реакции (1.2), будет гораздо быстрее удаляться с границы раздела соединения, чем молекулы воды.В результате подобной обработки наблюдается существенное возрастаниеповерхностной энергии соединения при проведении низкотемпературного отжига58сборки.
Графически результаты, полученные исследователями, представлены нарис.1.7.Рис. 1.7. Увеличение поверхностной энергии сборки при проведениинизкотемпературного отжига [46].При испытаниях отжиг сборки проводился при заданной температуре в течение 45 часов. Из графиков видно, что обработка поверхностей с NH4OH существенно повышает прочность соединения. Для лазерной гироскопии, где применяется 30 часовой отжиг при температурах около 180°С, возрастание прочностисборки после отжига при температурах выше 150°С может быть очень выгодным.Вызывает опасение необратимость реакций (1.8), (1.9) в области низких температур, что свидетельствует о невозможности разборки данного соединения без повреждения контактирующих поверхностей.
Применимость такого способа для соединения деталей лазерного гироскопа экспериментально не проверялась, тем неменее исследования в данной области могут быть перспективными при необходимости увеличения прочности сборки и могут служить предметом дальнейшихисследований.Другим достаточно простым и технологичным способом упрочнения соединения является выдержка готовой сборки при повышенных температурах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
