СИСТЕМА МНОГОСТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕКТРОДОВ НАНО- И СУБМИКРОННЫХ ДИАМЕТРОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Российский патент 2002 года по МПК B23H7/22 

Изобретение относится к области электроэрозионной обработки, а именно к стержневым электродам специального назначения, и может быть использовано с целью улучшения износостойкости, формирования дискретных зон легирования высокотемпературных сверхпроводников, нанесения металлических нанокластеров на поверхности полупроводников и диэлектриков, а также модификации свойств тонкопленочных изделий и т.п.

С помощью электроэрозионной обработки производят нанесение металлических слоев на поверхность твердого тела, резку и формирование углублений различного геометрического профиля. С этой целью используются электроды различного профиля - дисковые, стержневые, трубчатые или проволочные [1]. В основном эти электроды применяются для макрообработки, т.е. имеют размеры (диаметр, толщина) как минимум в десятки-сотни микрометров. Поэтому площадь единовременной (в период действия одного импульса тока) обработки поверхности твердых тел составляет более 100 мкм². Кроме того, существующими макроэлектродами трудно или практически невозможно обрабатывать внутренние поверхности деталей и поверхности сложного профиля.

В последнее время в связи с интенсивным развитием нанотехнологии применительно к задачам микроинженерии, микромеханики, микроэлектроники и т.п. встали вопросы обработки поверхностей микродеталей, тонкопленочных изделий, а также модификации поверхности ансамблями металлических кластеров нано- или субмикронного диаметров и высокой плотности.

В этой связи встает вопрос о разработке многостержневых электродов нано- или субмикронного диаметров, возможности которых исключили бы следующие недостатки аналогов:
- отсутствие стержневых электродов субмикронного и тем боле наномикронного диаметра,
- невозможность нанесения металлических кластеров нано- или субмикронного размеров заданной плотности на обрабатываемую поверхность твердого тела,
- трудноосуществимое автоматическое удержание заданного межэлектродного зазора,
- сложность прецизионной процедуры сканирования электрода по поверхности объекта, особенно в условиях сложного профиля его обрабатываемых поверхностей,
- наличие сложной и энергоемкой аппаратуры для реализации высоких уровней напряженности электрического поля на электродах, особенно для формирования дугового разряда,
- невозможность контролировать массу переносимого материала электрода в процессе электроэрозионной обработки, особенно при физическом контакте электрод-объект.

Изобретение решает задачу повышения эффективности электроэрозионной обработки путем обработки больших и сложных по профилю поверхностей твердых тел (включая внутренние) при малой энергоемкости аппаратуры.

Сущность изобретения заключается в применении металлических реплик с трековых мембран, изготовленных на базе известного способа [2], используемых для электронно-микроскопического анализа профилей травленых каналов в трековых мембранах, впервые в качестве системы многостержневых электродов (СМСЭ) нано- и субмикронных диаметров для электроэрозионной обработки поверхности твердых тел, что соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 изображены принципиальные схемы формирования самонесущей системы многостержневых электродов, изготовленных по методике гальванического выращивания металлических (медных) реплик с каналов трековых мембран различного профиля на металлической подложке (1): a - длина электродов (2) равна толщине трековой мембраны (ТМ) (3), б - длина электродов (2) меньше толщины ТМ (3), в - электроды (2) с "грибками" на концах.

В качестве материала металлических реплик (МР) могут быть любые чистые металлы или их сплавы, способные к гальваническому осаждению. Диаметр СМСЭ, их плотность, длина и геометрический профиль определяются соответствующими параметрами каналов в ТМ. Выходные концы СМСЭ могут быть заглублены в каналах ТМ, быть на уровне ее поверхности или выступать над поверхностью ТМ в виде "грибков". Кроме того, СМСЭ может быть и без материала ТМ, после ее растворения в щелочи.

На фиг.2 изображены схемы применения предлагаемых СМСЭ для электроэрозионной обработки с целью формирования ансамбля металлических кластеров нано- или субмикронного размеров на поверхностях различных твердых тел: 1 - металлическая подложка, 2 - микроэлектроды, 3 - трековая мембрана, 4 - изолирующий дистанционатор, 5 - межэлектродная среда (вакуум, газ, жидкость), 6 - обрабатываемый электропроводящий объект, 7 - обрабатываемый изолятор (полупроводник), 8 - металлизированный слой (фольга). В качестве материала подложки (1) обычно используют медную фольгу толщиной 0,05-0,1 мм.

СМСЭ, состоящий из металлической подложки (1) и ТМ (3) с микроэлектродами (2), присоединяется к положительному потенциалу на генераторе импульса тока и плотно прижимается к обрабатываемой поверхности электропроводящего объекта (6) или к "сэндвичу" металлический слой(8) + изолятор(7), присоединенные к отрицательному потенциалу источника импульсов. После этого включается генератор импульсного тока заданной величины и длительности. В течение длительности импульса тока в пространстве между СМСЭ и обрабатываемой поверхностью развивается электрическая дуга или искра (при физическом контакте концов микроэлектродов с поверхностью твердого тела). В результате действия дуги или искры "горячие" микрокапли материала СМСЭ переносятся на обрабатываемую поверхность объекта. Из-за их высокой температуры они "вплавляются" в его поверхность, формируя на ней соответствующий ансамбль металлических кластеров.

Естественно, размер металлических кластеров и их плотность на обрабатываемой поверхности определяются соответствующими диаметром и плотностью микроэлектродов в ансамбле, а также амплитудой и длительностью импульса. Заметим, что в результате импульса в условиях формирования "искры" электроды "выгорают", прерывая электрическую цепь, что исключает повторного их действия.

Вышеописанный процесс может осуществляться в любой окружающей среде (вакуум, жидкость или газ).

На фиг. 3(а-г) приведены электронно-микроскопические изображения медных кластеров субмикронного размера на поверхностях Al, Mo, Si и фторопластовой пленки. В данном эксперименте использовалась МР с диаметром электродов 0,05 мкм, длиной 10 мкм и плотностью 3•10⁹ см². На фиг.3д приведен спектр рентгеновского микроанализа кластера размером около 0,1 мкм на поверхности Si, свидетельствующий о том, что он является медным кластером.

Использование известной металлической реплики в качестве системы многостержневых электродов нано- или субмикронного диаметров для электроэрозионной обработки поверхности твердых тел имеет следующие преимущества:
- обеспечивается контроль и воспроизводимость размера, объема и плотности металлических нанокластеров на обрабатываемой поверхности объекта,
- обеспечивается возможность одновременной обработки больших площадей любого геометрического профиля, в том числе и внутренних полостей,
- имеется возможность для электроэрозионной обработки тонкопленочных объектов,
- минимальные энергозатраты и малый расход электродного материала.

Литература
1. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. Под редакцией В.А.Волосатова. Л., Машиностроение. 1988.

2. С.Н.Дмитриев, В.Ф.Реутов, А.С.Сохацкий. Способ получения металлических реплик для анализа нанометричесих каналов в трековых мембранах. Патент РФ 2115915, 23.07.96.

Изобретение относится к области электроэрозионной обработки, а именно к стержневым электродам специального назначения, и может быть использовано в различных отраслях электронного машиностроения при формировании дискретных зон легирования высокотемпературных сверхпроводников и нанесении металлических нанокластеров на поверхности полупроводников и диэлектриков, а также модификации свойств тонкопленочных изделий. В качестве многостержневых электродов нано- и субмикронного диаметров для электроэрозионной обработки поверхностей твердых тел применяют металлические реплики с трековых мембран. Это позволяет повысить эффективность электроэрозионной обработки больших и сложных по профилю поверхностей твердых тел, включая и внутренние, при малой энергоемкости аппаратуры. 3 ил.

Применение металлических реплик с трековых мембран в качестве системы многостержневых электродов нано- и субмикронного диаметров для электроэрозионной обработки поверхностей твердых тел.