Диссертация (1143290), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Данная мультисенсорная система можетнайти применение для контроля качества воздуха и оповещения утечки газов в самых различных помещениях.2806.4 Создание защитного покрытия на основе спая сапфир-стекловидныйдиэлектрик-керамикаЗащитные покрытия для целей народного хозяйства широко применяютсякак в России, так и за рубежом.В последние годы все большее внимание уделяется направлению, связанному с применением для защитных панелей вместо металлов технической керамики(Al2O3, B4C, SiC, AlN, Si3N4), плотность которой в 2 – 3 раза меньше стали.Сапфир – один из перспективных материалов для защиты от воздействиянаправленных ударных волн со скоростью до 830 м/с. Разработанные автором диссертации технологии, позволяющие выращивать крупные объемные кристаллысапфира высокого качества, открывают широкие возможности для получения нового поколения защитных покрытий.6.4.1 Методика создания двойного спая сапфир-стекловидный диэлектрикТрадиционно керамические компоненты защитных панелей выполняют в виде пластин, уложенных в слой с типичными размерами 100 × 100 мм или50 × 50 мм [299, 300].
В месте действия ударной волны в пластине возникают трещины, которые распространяются практически по всей пластине, что приводит кее дроблению на множество фрагментов. Под действием ударной волны можетразрушиться вся пластина. При вторичном попадании ударной волны в такую раздробленную пластину она может практически беспрепятственно пройти сквозьпластину. Поэтому, весьма эффективно применять многослойные защитные панели, состоящие из сравнительно небольших по размерам керамических материалов.Важным достоинством таких материалов является их повышенная стойкость кмногократному воздействию ударной волны.Рассмотрим процесс получения спая сапфир-стекловидный диэлектрикс использованием прозрачного монокристаллического сапфира. Благодаря боль281шой плотности данного материала, его использование для изделий, представляющих особую важность, позволит резко снизить весовые параметры защитных композиций.Легкоплавкие стекла используются для спаивания деталей микроэлектроники.
Основой данных материалов являются стекла систем PbO – B2O3 – SiO2;PbO – Al2O3 – TiO2 – SiO2; PbO – B2O3 – Na2O – SiO2; PbO – B2O3 – ZnO – SiO2.Анализ составов этих материалов указывает на то, что они разнообразны, в основном, в очень узких областях стеклообразующих систем, где содержание окисисвинца находится в пределах 60 – 90 масс. %. Зона значения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) легкоплавкого стекла лежит в пределах(85...95)10-7 К-1, что позволяет спаивать широкий спектр материалов: сапфир,стекло, керамика, ферриты, металлы.На рисунке 6.26 представлена область стеклообразования диэлектрика PbO –B2O3 – ZnO. Как показывает анализ приведенных данных, в системе PbO – B2O3 –ZnO стекла имеют необходимые значения ТКЛР [301].
В связи с этим для дальнейших исследований использовались стекла системы PbO – B2O3 – ZnO. ТКЛР готовых стекол контролировался дилатометрическим методом.Рисунок 6.26 – Область стеклообразования диэлектрика PbO-B2O3-ZnO282Основные физико-механические свойства стекловидного диэлектрика PbO –B2O3 – ZnO приведены в таблице 6.9.Испытания стекловидного диэлектрика PbO – B2O3 – ZnO показали его пригодность для спаивания деталей микроэлектроники при относительно низких температурах и отсутствии напряжений.Формирование стекловидных диэлектрических покрытий (пленок) на поверхности подложки из пленкообразующего раствора (суспензии) возможно несколькими способами: золь-гель технология, центрифугирование, окунание и распыление (пульверизация). Эти способы позволяют получать стекловидные покрытия заданного состава и морфологии поверхности без использования сложноготехнологического оборудования.
Для создания спая стекловидного диэлектрика исапфировой подложки небольшого размера целесообразно использовать способцентрифугирования, позволяющий формировать сравнительно равномерные пленки толщиной от единиц нм до десятков мкм. Центрифугирование позволяет легкоконтролировать толщину наносимой пленки за счет изменения скорости и временивращения.Таким образом, для получения спая сапфир – стекловидный диэлектрик методом центрифугирования используется легкоплавкое стекло системы PbO – B2O3– ZnO (Тпл < 600°С), обеспечивающее получение на его основе некристаллизующихся стекловидных пленок, обладающих хорошей адгезией к материалам подложек, согласованностью по коэффициенту линейно-термического расширения итемпературам их формирования [301].283Таблица 6.9 – Основные физико-механические свойства неорганическогостекловидного диэлектрика PbO – B2O3 – ZnOТКЛР в диапазоне температур20…500 °С85...9510-7 К-1Температура растеканияне больше 600°СМикротвердостьне меньше 350 кг/мм2КристаллизацияОтсутствуетЭлектрические характеристики = 10…14;tg104 = 20…25;Епроб106 = 5 В/смХимическая стойкостьII гидролитический классВ результате проведенных исследований получена равномерная по толщинеи однородная пленка стекловидного диэлектрика PbO – B2O3 – ZnO толщиной порядка 1-3 мкм на поверхности сапфира [234], которая может использоваться в микроэлектронике и наноэлектронике.Технологический маршрут создания спая сапфир – стекловидный диэлектрикпредставлен на рисунке 6.27.284Рисунок 6.27 – Технологический маршрут создания спая сапфир – стекловидный диэлектрик PbO – B2O3 – ZnOПервоначально гранулят легкоплавкого стекла системы PbO – B2O3 – ZnOразмельчался до порошка удельной поверхности 5000 см2/г (сухой помол).
Дляприготовления рабочей суспензии в полученный порошок добавлялся изобутиловый спирт. Полученный раствор помещался в яшмовый барабан на 24 часа для получения пленки толщиной 4 – 5 мкм (на 48 часов для получения пленки толщиной1 – 3 мкм). Полученная суспензия затем разбавлялась изобутиловым спиртом дообъема 1 л.Автором отработан технологический маршрут получения спая сапфир –стекловидный диэлектрик PbO – B2O3 – ZnO:1) Нанесение пленки легкоплавкого стекла осуществлялось на обезжиреннуюв изопропиловом спирте и высушенную при комнатной температуре сапфировуюподложку (размером 10 × 10 × 3 мм), предварительно взвешенную.2852) Осаждение пленки осуществлялось при скорости вращения ротора центрифуги 7000 об/мин в течение 4 минут.3) Сушка полученной пленки в термошкафу при температуре 50 – 80 °С в течение 3 – 5 мин.4)ВысокотемпературыйотжигпленкивмуфельнойпечиприТ = 580 – 600 °С с продолжительностью 5 – 7 мин.
(скорость подъема температуры4 °С /мин) с изотермической выдержкой на Т = 300 °С в течение 10 минут и соскоростью охлаждения 3 °С/мин.С помощью метода атомной силовой микроскопии (АСМ) в Научнообразовательном центре «Нанотехнологии» Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета было полученоизображение морфологии поверхности полученных пленок. АСМ-изображенияпредставлены на рисунке 6.28 (а, б).а)б)Рисунок 6.28 – АСМ – изображение поверхности пленки стекловидного диэлектрика PbO – B2O3 – ZnO на сапфире (а) и фазовый контраст (б)Таким образом, полученный спай сапфир – стекловидный диэлектрик PbO –B2O3 – ZnO методом центрифугирования имеет толщину 1-3 мкм, коэффициентсмачивания находится в пределах допустимости, внутренние напряжения спая минимальны, что дает возможность использовать его как основу для создания покры-286тий в микроэлектронике и наноэлектронике и является промежуточным этапомпри создании спая сапфир-стекловидный диэлектрик-керамика.6.4.2 Методика создания тройного спая сапфир-стекловидный диэлектрик-керамикаНовые технологии существенно влияют на качество нашей жизни, вызываяизменения в привычных для нас сферах деятельности.
Эти изменения заметны нетолько в стремительно развивающейся электронике, но и в более консервативныхобластях, таких как средства индивидуальной защиты.Отечественные разработчики средств защиты от кинетического воздействия,создавая новые модели, трудятся не только над повышением их уровня защиты, нои над улучшением эргономических, эксплуатационных, эстетических и других характеристик [302].Ввиду отставания отечественного серийного производства керамики для создания защитных покрытий нужно совершить технологический прорыв в данномнаправлении, для чего, несомненно, понадобятся целевые финансовые вложения.Использование керамики является перспективным, но не универсальнымсредством, повышающим эффективность защиты с учетом всех требований заказчиков.Производители керамики для защитных покрытий в России – ОАО «НЭВЗСоюз» (г.
Новосибирск), ЗАО «Алокс» (г. Санкт-Петербург), ООО «Вириал» (г.Санкт-Петербург).Серийный выпуск карбидокремниевых керамических пластин в России покавозможен только в Санкт-Петербурге (ООО «Вириал») по цене 150 – 180 долларовСША за килограмм. На Западе изделия аналогичного качества предлагают за 100 –150 долларов.Испытания(в ОАО «НИИ Стали», г. Москва) керамики(плитка50×50×9,8 мм) подтверждают возможность ее использования в составе композитной тканево-керамической защиты класса 6А по ГОСТ 50744.287Перспективным вариантом при разработке прозрачных защитных покрытийвысоких классов защиты может быть применение пластин монокристаллическогосапфира толщиной 4-8 мм в качестве лицевого слоя с образованием средних слоёвиз силикатного (в т.ч.
кварцевого) стекла и тыльного слоя из поликарбоната [293].Описанная многослойная структура дает возможность минимум в 1,5 разасократить толщину и массу преграды для защиты от ударной волны со скоростью830 м/с.ОАО «НЭВЗ-Союз» (г. Новосибирск) выпускает Al2O3-керамику, применяемую в составе защитного покрытия для средств защиты индивидуального объекта.Керамика от компании «НЭВЗ-Союз» отличается высокими показателями плотности, ударной вязкости, трещиностойкости, модуля упругости при изгибе.Разработка слоистого защитного покрытия с применением искусственно выращенного лейкосапфира ведётся во многих государствах (в США, Израиле, Украине, Чехии). В США разработана технология так называемого «краевого роста»лейкосапфира, что дает возможность получить пластины больших размеров12×18,5 дюймов (≈ 300 ×470 мм), толщиной 10,9 мм.Таблица 6.10 – Технические требования к керамике (в соответствии с ТУ3493-032-07621739-2009)Наименование показателяЕд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
