Диссертация (1090422), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Так прихранении соединенных кремниевых элементов с гидрофильными поверхностямипри температуре 110°С в течение 4-х суток энергия связи оказалась примерно в591,5 раз больше, чем при хранении при температуре 43°С [47]. Похожий эксперимент будет рассмотрен в экспериментальной части настоящей работы.Еще один способ упрочнения соединения был предложен Греховым, Костиной и др. в работе [61]. Авторы рассматривают технологию создания диффузионных слоев в едином технологическом цикле с процессом сращивания из источника, находящегося непосредственно на границе раздела соединяемых поверхностей. В качестве связующей жидкости использовался раствор нитрата алюминия.Здесь отдельно необходимо сказать об образцах, которые авторы использовали при испытании.
Они представляли собой кремниевые пластинки, выращенные по методу Чохральского, которые имели толщину 0,3-0,5 мм и диаметр 40-60мм. На поверхность одной из соединяемых деталей наносился искусственный рельеф методами фотолитографии в виде сетки ортогональных канавок. Ширинаканавок составляла 50 мкм, расстояние между боковыми стенками 200 мкм, глубина 0,3-0,5 мкм. Сама сетка таких канавок служит для снижения величины упругих напряжений, вызванных несовершенством геометрии соединяемых поверхностей, и является, по сути, еще одним способом упрочнения соединения.
Методикавыбора размера и расположения канавок, а также их влияние на уменьшениеупругих напряжений подробно рассмотрена в работах [62], [63]. Улучшение качества соединения путем создания на поверхности рельефа определенной формырассмотрено также и в работе [64]. Но из-за технологической сложности данногометода по сравнению с другими методами упрочнения контактного соединения ивозможным отсутствием при этом вакуумной плотности в рамках наших исследований такой метод рассматриваться не будет.Перед соединением образцы подвергались отмывке и гидрофилизации в деионизованной воде.
Эксперимент проводился следующим образом: часть образцов соединяли в деионизованной воде, а другую часть в 0,5-1% водном растворенитрата алюминия Al(NO3)3. После этого проводился отжиг образцов при температуре 95°С на воздухе в течение 5 часов, а затем 5 часов при температуре1250°С. Качество полученного соединения исследовалось методом рентгеновскойдифракционной топографии и сканирующей электронной микроскопии.60Рентгеновское исследование большого количества образцов, соединенных врастворе нитрата алюминия в сравнении с образцами, соединенными в деионизованной воде, показало, что соединение пластин в растворе Al(NO3)3 заметноулучшало непрерывность границы контакта.
Из работы следует, что для образцов,соединенных в растворе алюминиевой соли, "сплошность" (отсутствие несоединенных участков) близка к 100%, в то время как "сплошность" образцов, соединенных в воде, примерно на 8% ниже.По мнению авторов, это происходит из-за того, что длина сильной силоксановой связи существенно меньше длины водородной, а возрастание прочности иформирование непрерывной границы соединения может иметь место лишь там,где осуществился первоначальный контакт, т.е. площадь поверхности, на которойсоединение произошло успешно, практически целиком определяется расстояниемдействия сил первоначального сцепления.Высокая сплошность зоны контакта получается благодаря встраиванию AlOH групп в цепочки водородных связей. Таким образом, происходит увеличениедлины цепочек, которые соединяют противоположные поверхности, и следуетожидать, что первоначальное сцепление имеет место в пределах большей площади, чем при осуществлении соединения в воде.Предполагается, что процесс происходит следующим образом: при диссоциации молекул алюминиевой соли в водном растворе ионы Al 3+, взаимодействуя сводой, образуют гидроксид алюминия Al(OH)3 и далее при комнатной температуре соединение происходит по схеме рис.
1.8.61Рис. 1.8. Соединение гидрофильных поверхностей кремнияпосредством атомов алюминия [61].С повышением температуры водородные связи заменяются на более прочныековалентные.Возможность упрочнения соединения посредством создания алюминиевыхмостиков, предложенная в [61], подтверждается исследованиями, проведеннымиП.А.Ребиндером и В.Ф.Абросенковой [43]. Ученые изучили взаимодействие гидроксида кальция и кристаллического кремнезема, протекающее без нагревания вводной суспензии, и выявили условия изготовления известково - песчаных блоковбез гидротермальной обработки.
Алесковский же заметил, что помимо физикохимических превращений протекают различные реакции конденсации, сопровождающие процесс деструктивно-эпитаксиального превращения, происходящий поформуле (1.10). Высокую прочность известково – кремнеземные вяжущие материалы приобретают благодаря соединению частиц кремнезема мостиками Са-О:2(Si-OH) + Ca(OH)2 Si-O-Ca-O-Si + 2H2O(1.10)Кислородные мостики, еще более прочные, чем мостики -О-Са-О-, в подходящих условиях образуют атомы железа, алюминия, хрома, титана, магния,62стронция, бария, свинца и других поливалентных элементов – доноров электронов.
Благоприятными условиями для образования подобных мостиков являютсятакие условия, при которых идет процесс растворения частиц твердого вещества,но исключается быстрая беспорядочная конденсация продуктов гидролиза катионов, например, гидроксидов и основных солей материала.Подобные теоретические рассуждения были проверены на опыте полученияискусственного камня. Так, измельченный кварцевый песок замешивали с раствором нитрата алюминия в ацетатном буферном растворе.
При этом активностьионов алюминия мала, поэтому алюминий подавался непосредственно к поверхности частиц. Гидролиз ионов алюминия подавлялся уксусной кислотой, образующей ацетатные комплексы. Подобная реакция идет по схеме (1.11):(1.11)Удаление побочных продуктов реакции путем нагревания ускоряет процесссхватывания, в котором главную роль играют разветвленные алюмокислородныемостики.Как можно видеть реакции конденсации поверхностных ОН-групп могутпроисходить не только под действием высоких температур, но и вследствие катализации с помощью щелочей.
Таким образом, для упрочнения оптического контакта, проблемы с которым в соединении возникают при воздействии повышенных температур, перед проведением термической обработки можно проводитьэтап упрочнения соединения осуществлением вышеприведенных химических реакций.1.10. Метод гидроксидного катализаВозможность проведения химических реакций для процессов полимеризациивместо температурных воздействий при контакте оптических деталей привела к63появлению технологии сборки, называемой методом гидроксидного катализа, илисиликатной связи.Запатентована технология была в 2003 году Dz.-Hung Gwo [23].
После выхода патента появилось достаточно много публикаций, посвященных методу гидроксидного катализа, в которых более подробно рассмотрены различные аспектыпроцесса и предложены методы усовершенствования технологии сборки. К главному недостатку соединения методом гидроксидного катализа можно отнести неразборность полученной сборки. Тем не менее, изучение данного способа упрочнения позволяет более полно разобраться с физико-химическими процессами,происходящими в соединении. Кроме того, при изменении требований к разборности метод гидроксидного катализа может быть использован для созданиянадежной сборки.В своем патенте Gwo представил метод соединения оптических деталейстоль же прецизионный, как и оптический контакт, и при этом обладающий такойже прочностью, как метод соединения с использованием промежуточного слояплавленого стекла. При использовании технологии гидроксидного катализа наодну из соединяемых поверхностей наносится тонкий слой связующего вещества,который становится частью материала.При данном способе сборки между контактирующими поверхностями образуется кремнийподобная трехмерная сетка.
Соединение основано на силоксановых мостиках (Si-O-Si), где каждый атом кремния располагается в центре тетраэдра, состоящего из четырех атомов кислорода. Однако такая сетка оказываетсяболее рыхлая, чем диоксид кремния, потому что имеет большее количество открытых групп Si-OH и Si-O-M+ (где M+ - катион), которые входят в ее состав.Методом гидроксидного катализа могут быть соединены различные материалы. К ним относятся: натуральный и плавленый кварц, кремний, имеющий оксидный слой, стеклокерамика Zerodur (а, соответственно, и аналогичные материалытакие как СО-115М, Clearceram и др.), ULE, стекло BK7, опал, гранит и другиематериалы, способные образовывать кремнийподобную сетку. Из всех материалов кремнезем обычно создает такую сетку наиболее эффективно.64Физически модель соединения основана на процессах гидратации и дегидратации, аналогичных процессам, происходящим при создании ГОК, исключая этапприложения внешней температуры.
Вместо нее выступает катализатор – щелочь.Создание соединения возможно только для материалов, на поверхности которыхмогут быть получены поверхностные ОН-группы, связанные с материалом прочной ковалентной связью. Гидратация таких поверхностей происходит по реакции(1.12):X-O-Y + HOH X-OH + OH-Y, где(1.12)X и Y – обозначение химических элементов, причем X и Y могут быть одинаковыми.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
