Диссертация (1090422), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Процессы гидратации и дегидратации могут быть катализированыионами H+, OH- и ионами металлов. В отсутствии катализатора энергия активациипроцесса дегидратации лежит в диапазоне нескольких электрон-вольт, которая зависит от свойств X и Y. С использованием гидроксидного катализа энергия активации может быть заметно снижена. Таким образом, процессы гидратации и дегидратации могут наблюдаться уже при комнатной температуре. Множество различных материалов могут служить источником гидроксидных ионов в водномрастворе.
К таким материалам относятся гидроксиды натрия, калия, стронция,аммиачная вода и др. Для случая кремнезема выражение (1.12) примет следующий вид:Si-O-Si + HOH Si-OH + OH- Si(1.2)Аналогичную реакцию можно наблюдать и в случае оксида алюминия:Al-O-Al + HOH Al-OH + OH-Al(1.3)При использовании соединения методом гидроксидного катализа также несколько могут быть снижены требования к шероховатости поверхности по срав-65нению с методом оптического контакта. Это происходит из-за того, что образуемая кремнийподобная сетка может заполнять небольшие пустоты.Более подробно механизмы, происходящие при образовании соединения методом гидроксидного катализа, рассмотрены в работе [65]. Здесь процесс разделен на три основных этапа1.Гидратация.
Поверхность оксида кремния гидрофильна и будет при-тягивать ионы ОН- до заполнения свободных связей. Полностью гидратированнаяповерхность имеет от 4 до 6 ОН-групп/нм2. Понятно, что загрязнения, присутствующие на поверхности, будут препятствовать гидратации. Поэтому для достижения наибольшей степени гидратации поверхность должна быть хорошоочищена от химических и механических загрязнений.2.Травление. При нанесении раствора с большой концентрацией ионовОН- начинает происходить травление поверхности кварца. По мнению авторов,при этом дополнительные ионы ОН- формируют слабые связи с атомами кремнияна поверхности.
Это увеличивает координатное число кремния с 4 до 5 или 6. Врезультате сильная ковалентная связь между поверхностным атомом и материалом ослабевает, а затем оторвавшиеся молекулы попадают в раствор.3.Полимеризация. В данном случае под длительностью образованиясоединения понимается такое время, когда связующий раствор затвердевает, и соединение невозможно разделить без повреждения. При этом соединение можетдостичь максимальной прочности только через несколько недель после своего образования.В процессе полимеризации со временем уменьшается количество молекулводы, присутствующих на границе раздела. Следовательно, чем большее количество воды будет удалено, тем более эффективным будет соединение.
Выдержка судалением излишков воды может быть выполнена различными путями, например,используя температурную обработку, прикладывая небольшое давление или просто выдержкой собранного соединения в течение продолжительного времени.Нагрев соединения можно проводить с помощью микроволн, но только когда всоединении осталось уже небольшое количество воды.66В работах [24] и [65] приведены исследования зависимости времени образования соединения от температуры. При увеличении температуры выдержки образцов с 0 до 20°С время образования прочного соединения сократилось с 270 до60 секунд. Это свидетельствует о том, что при увеличении температуры выдержкиможно быстрее увеличить прочность соединения.Для соединения кварцевых поверхностей в гидроксидном растворе соединяемые детали должны обладать общей неплоскостностью не ниже /10 (=6328 нм)[24], либо /8 [66].В результате исследований, включающих применение различных связующихрастворов в различных концентрациях и количествах, различной шероховатостисоединяемых поверхностей, а также варьирование временем выдержки сборки итемпературой выдержки были получены следующие значения прочности соединения на сдвиг.В работе [24] приводятся данные, что для соединения двух образцов с шероховатостью rms ≈ 500 нм прочность на сдвиг составила 0,80,44 МПа, в то времякак для соединения поверхностей с качественной полировкой и субнанометровойшероховатостью прочность сборки составила 1,450,08 МПа.
Таким образом видно, что хотя использование метода гидроксидного катализа позволяет соединятьповерхности с шероховатостью большей, чем это можно сделать, используя методОК, тем не менее соединение между наиболее гладкими поверхностями получаются лучшего качества. Полученный результат здесь аналогичен работе [24].В статье [66] приведены результаты эмпирических испытаний прочности соединения, которая лежит в пределах от 5,4 МПа до 31,5 МПа.
При соединении деталей использовался раствор силиката натрия (14% NaOH и 27% SiO2) с деионизованной водой в пропорции 1 к 6.В рамках работы [67] было установлено, что при вариации концентрациисвязующих растворов NaOH/H2O и KOH/H2O была достигнута прочность сборкив диапазоне от 1,060,98 МПа до 4,091,83 МПа.67В целом прочность соединения составляет несколько МПа, что в 2-4 разабольше прочности ОК. Этот метод соединения достаточно интересен, но требуетиспользования дополнительной оснастки и специальных высокоочищенных растворов. Тем не менее дальнейшее исследование в данной области является перспективным.Позиционирование деталей при соединении методом гидроксидного катализапроизводится гораздо проще, чем при ОК, вследствие того, что связующий компонент затвердевает в течение некоторого времени. Для ОК этот недостаток можно преодолеть, если нанести спиртосодержащее чистящее вещество на границураздела между двумя соединяемыми поверхностями.
Формируется слабая связь,которая постепенно усиливается с испарением раствора. В это время возможнарегулировка положения деталей [67].На нашем предприятии эта проблема для ОК в недавнем времени была решена Е.И.Филатовым и Е.В.Суховым с помощью использования метилового спирта,наносимого на одну из соединяемых поверхностей.Все же основным недостатком технологии гидроксидного катализа для использования в лазерной гироскопии является неразборность полученного соединения. Но если использовать ограниченное количество раствора, то имеется возможность избежать повсеместного образования ковалентных связей. Обнадеживающие эксперименты в этом направлении были проведены Г.А.Ермаковым иЛ.Н.Разумовым.Выводы к главе 11)Подробно рассмотрена физико-химическая модель ОК.
Установленымеханизмы, отвечающие за образование бесклеевого контактного взаимодействия.2)Рассмотрено влияние параметров оптических элементов на прочностьсоединения методом ОК.683)Показано, что механизм образования ОК для гидрофильных и гидро-фобных поверхностей различен. Для гидрофильных поверхностей соединениеосуществляется посредством водородных связей, которые образуются между молекулами воды, адсорбированными на противоположных поверхностях, для гидрофобных взаимодействие происходит в результате действия сил Ван-дер-Ваальсамежду молекулами, принадлежащими противоположным поверхностям.
Причемпредпочтительно соединение гидрофильных поверхностей.4)Рассмотрено влияние нагрева на ОК. Показано, что для гидрофильныхи гидрофобных поверхностей процесс упрочнения различен.5)Рассмотрены способы упрочнения соединения. Показаны их преиму-щества и недостатки.69Глава 2. Экспериментальные исследования оптического контакта2.1.
Цели и подготовка экспериментаВ первой главе настоящей работы был подробно рассмотрен механизм взаимодействия контактирующих поверхностей. Тем не менее несмотря на большоечисло работ, посвященных изучению создания структур КНИ, процессы, возникающие при сборке резонаторов методом оптического контакта, могут существенно отличаться.Во-первых, при изготовлении лазерных гироскопов одна из соединяемых деталей (корпус резонатора) проходит предварительную операцию обезгаживающего отжига, который служит для очистки внутреннего объема изделия.
Такой отжиг происходит в вакууме при температуре 450С в течение 5 часов. Как уже говорилось в предыдущей главе, подобный отжиг приводит к дегидратации алюмосиликатной поверхности. Кроме того, например, для кремнезема подобная температура является той температурой, при которой процесс регидратации поверхности (с образованием силанольных групп) существенно затруднен.В имеющейся литературе [25, 46, 47, 68] был рассмотрен механизм образования оптического контакта как двух гидрофильных, так и двух гидрофобных поверхностей. При этом гидрофобизация поверхности кремнезема достигалась путем ее химической обработки с последующим образованием поверхностных Si-Hгрупп.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
