УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ПУТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА ФОЛЬГИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК C23C14/32 

Область техники

Изобретение относится к области нанесения покрытий, электровзрывного легирования, а также производства мелкодисперсных порошков и может найти применение в машиностроительной, приборостроительной, электронной промышленности.

Уровень техники

Известны различные устройства для электрического взрыва фольг (ЭВФ) с целью использования продуктов взрыва для синтеза мелкодисперсных частиц электропроводных материалов и/или нанесения функциональных покрытий и/или электровзрывного легирования (ЭВЛ) материалов. Ключевым параметром различия этих устройств является эффективность перевода материала фольги в парообразное и плазменное состояния, которая решающим образом зависит от степени однородности плотности разрядного тока в фольге и определяет в свою очередь функциональную эффективность и производительность технологического процесса, реализуемого с помощью устройств.

В известных устройствах используется коаксиальная геометрия цилиндрических токоподводящих электродов. В случае большого аспектного отношения A=R/r (R и r - значения радиусов наружного и внутреннего коаксиальных токоподводящих электродов) принципиальная (вследствие большой разницы их периметров) неоднородность распределения плотности разрядного тока по радиусу фольги может достигать больших величин и является причиной пространственной неоднородности ее взрыва, наличия твердых фрагментов и макрокапель в продуктах взрыва, что в той или иной мере ухудшает качество технологического процесса. Поэтому повышение однородности взрыва фольги и, следовательно, производительности реализуемого технологического процесса является основной целью модернизации устройств.

Использование металлического прижимного элемента цангового типа для улучшения электрического контакта фольги с центральным электродом (Патент РФ №2378414, кл. C23C 14/32, 2006.01) не может обеспечить «квазиоднородность электрического взрыва фольги», т.к. не устраняет радиальную неоднородность плотности разрядного тока в фольге.

Известно техническое решение для повышения производительности процесса (Патент РФ №2026415, кл. C23C 14/32, опубл. 1995.01.09). Сущность изобретения состоит в том, что между центральным и наружным высоковольтными электродами, установленными коаксиально в изоляции, размещен дополнительный высоковольтный электрод, выполненный в форме кольца. Электроды включены в электрическую схему, состоящую из двухразрядных контуров. Разрядный ток от емкостных накопителей энергии проходит через дополнительный высоковольтный электрод, создавая зону начального испарения фольги. Первый емкостной накопитель энергии, разряжаясь через отрезок фольги, заключенный между центральным и дополнительным электродами, а второй емкостной накопитель энергии, разряжаясь через отрезок фольги, заключенный между дополнительным и наружным электродами, вызывают одновременное взрывное испарение фольги на обоих участках. Однако введение среднего электрода способно даже увеличить неоднородность продуктов взрыва, а разделение токов в двух контурах, объединенных плазменной нагрузкой, является неэффективным, что приведет фактически к отсутствию эффекта программирования тока на участках фольги и, соответственно, повышения производительности процесса.

Известна также серия технических решений с использованием профилированных по радиусу фолы (Патенты РФ №№2449051 С1, 2449052 С1, 2449945 С1). Профилирование заключается в плавном, либо ступенчатом уменьшении толщины фольги к периферии с формированием колец ("кольцевых электродов"). Известно, однако, что подобные резкие неоднородности фольги существенно искажают электрическое поле, стимулируют возникновение микродуг и пространственную неоднородность электрического взрыва фольги (В.А.Бурцев, В.Ф.Прокопенко, В.Н.Литуновский. Исследование электрического взрыва фольг.I, II // ЖТФ, т.47, вып.8, 1977, с.1642-1661). Кроме того, изготовление металлических фольг с переменным сечением представляется практически нереальной задачей.

Наиболее близким из известных технических решений является устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее кольцевой и центральный коаксиальные высоковольтные электроды с изолятором между ними и направляющее сопло, установленное соосно электродам, при этом торец центрального электрода заглублен относительно торца цилиндрического электрода на расстояние h, а устройство выполнено с возможностью размещения взрываемой фольги в плоскости торца внешнего цилиндрического электрода.

Величина h заглубления торца центрального электрода определяется из условия 0,1d≤h≤0,5d, где d - диаметр активной зоны взрывающейся фольги, диаметр центрального электрода равен диаметру активной зоны взрывающейся фольги, а поверхность его торца имеет рельефный профиль в виде равномерно расположенных четырехгранных пирамид, при этом изолятор выполнен в виде оболочки с внутренним буртом на конце, высота которого равна h, а торец изолятора расположен в одной плоскости с торцом внешнего цилиндрического электрода (Патент РФ №2394938 C1).

Однако подобная межэлектродная конфигурация не является типом «плоскость-плоскость", не способна формировать равномерное электрическое поле при подаче на электроды напряжения и образовывать единый плазменный сгусток во всем объеме межэлектродного зазора (центральный электрод - фольга). Известно, что электрическая прочность промежутка зависит от давления и относительной влажности среды, формы электродов и расстояния между ними, от вида напряжения, а также от полярности электродов (напр., А.Ф. Дьяков, Ю.К. Бобров т и др. Физические основы электрического пробоя газов, М.: МЭИ, 1999). Наличие микронеоднородностей на системе четырехгранных пирамид, неидеальность величины зазора фольга-центральный электрод (вследствие прогиба, сморщивания фольги и т.п.), делает неопределенным положение канала начального пробоя. Дальнейшая динамика газоразрядного канала разряда зависит от двух процессов: самостягивания (пинчевания) канала и быстрой деформации нежесткого электрода (фольги) электромагнитными силами. В подобных условиях устройство работает неэффективно, т.к. не могут быть осуществлены «квазиоднородный взрыв фольги", и, соответственно, повышение качества покрытия и получение однородной дисперсии металлического порошка. Кроме того, в подобной геометрии неизбежно существенное загрязнение рабочей среды (продукты эрозии фольги) продуктами эрозии центрального электрода, обладающего большой относительной площадью, что негативно сказывается на качестве процессов нанесения покрытий, электровзрывного легирования и синтеза порошка.

Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков: повышение качества покрытия и/или металлических порошков и/или электровзрывного легирования (ЭВЛ) за счет создания условий для квазиоднородного электрического взрыва фольги и снижения поступления в рабочую среду (ионизированные продукты взрыва фольги) продуктов эрозии электродов и изолятора.

Раскрытие изобретения

Указанные результаты достигаются по первому варианту тем, что в предлагаемом устройстве для нанесения покрытий, электровзрывного легирования (ЭВЛ) и синтеза мелкодисперсных металлических порошков путем ЭВФ, содержащем наружный радиусом R и внутренний радиусом r коаксиальные цилиндрические электроды, изолятор между ними, при этом торец центрального электрода заглублен относительно торца наружного электрода на расстояние L≤2R, аспектное отношение радиусов электродов выбирается из соотношения А=R/r≤1,5, взрываемая фольга расположена на торце межэлектродного цилиндрического изолятора, а торец изолятора заглублен относительно торца наружного электрода на расстояние 1=(0,l÷0,5)L. Коаксиальные электроды могут быть выполнены конусообразными с уменьшением диаметра к срезу, а их тыльные части и изолятор могут быть выполнены в виде кольцевого управляемого разрядника для шунтирования межэлектродного разряда в контуре взрывающейся фольги. Последнее позволяет существенно минимизировать вклад эрозии электродов и изолятора в продукты взрыва фольги и тем самым существенно повысить качество покрытия и синтезируемых мелкодисперсных порошков.

Использование коаксиальных электродов с малым аспектным отношением позволяет снизить максимальный уровень значений радиальной неравномерности плотности тока в кольцевой фольге до 20÷30% (для сравнения - 50% при А=2), что существенно повышает равномерность взрыва фольги, а наличие ускоряющего промежутка длиной 1 обеспечивает электродинамическое ускорение и дополнительную ионизацию продуктов взрыва фольги, а также гомогенизация потока продуктов взрыва.

По второму варианту указанные технические результаты достигаются тем, что электроды имеют плоскую линейную геометрию, разделены плоским листовым или пленочным изолятором, при этом один из электродов выполняется в виде обратного токопровода, электроды могут иметь металлические надставки, образуя ускорительный канал, взрываемая фольга расположена на поверхности плоского изолятора и имеет форму прямоугольника или квадрата, а вдоль боковых сторон основной фольги могут быть расположены 2 полоски из фольги шириной 10 мм на расстоянии <5 мм от боковых сторон основной фольги.

Использование линейной геометрии электродной системы и фольги позволяет принципиально избежать (или значительно снизить) неоднородность растекания разрядного тока по сечению основной фольги (при условии равномерной подачи тока на электроды с помощью системы токоподводов, например коаксиальных кабелей). Снижение влияния краевых эффектов пространственного распределения электромагнитного поля для основной фольги достигается путем использования двух дополнительных "охранных" полосок фольги, сечение которых существенно меньше сечения основной фольги. Известно, что такие эффекты приводят к преждевременному пробою по боковым кромкам и неравномерному (по ширине) электрическому взрыву фольги (В.А.Бурцев, В.Ф.Прокопенко, В.Н.Литуновский. Исследование электрического взрыва фольг.I, II // ЖТФ, т.47, вып.8, 1977, с.1642-1661). Электроды могут иметь металлические надставки, образуя "плоский" ускорительный канал, который обеспечивает электродинамическое ускорение и дополнительную ионизацию продуктов взрыва фольги, а также гомогенизацию потока продуктов взрыва. Использование линейного управляемого разрядника на тыльных частях электродов для шунтирования межэлектродного разряда в контуре взрывающейся фольги позволяет существенно минимизировать вклад эрозии электродов и изолятора в продукты взрыва фольги и тем самым существенно повысить качество покрытия и синтезируемых мелкодисперсных порошков.

Осуществление изобретения

Достижение высокой эффективности процесса электрического взрыва проводников, что является необходимым условием эффективности использования этого физического явления для технологий, требует достаточно строгого согласования параметров электрического контура и нагрузки (фольги) (см., напр., Андрезен А.Б., Бурцев В.А., Литуновский В.Н. и др. Быстродействующие сильноточные размыкатели на основе электрического взрыва фольг // Доклады Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. (Ленинград, 1977),-Л., НИИЭФА, т.2, с.120-127). Имея ввиду достаточно высокий требуемый уровень значений скорости ввода энергии в материал фольги (10 -г 20 ГВт/г для алюминия) собственная индуктивность электрического контура должна быть минимизирована, что, естественно, относится ко всем элементам электрического контура. Несоблюдение этих требований приводит к развитию МГД неустойчивостей разряда, появлению крупных фракций в продуктах взрыва и снижению качества продукции (покрытий или синтезируемых порошков).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция устройства по первому варианту, на фиг.2 - по второму.

Устройство - малоиндуктивная электродная система - по первому варианту состоит из коаксиальных сменных центрального 1 (цилиндрический или конический) с радиусом r и наружного 2 (цилиндрический или конический) с радиусом R электродов, разделенных тонким цилиндрическим изолятором 3, на торце которого размещается взрываемая кольцеобразная фольга 4. Такая геометрия минимизирует собственную индуктивность электродной системы и способствует в свою очередь повышению скорости ввода энергии в фольгу. Торец центрального электрода заглублен относительно торца наружного электрода на расстояние L≤2R, образуя канал транспортировки и гомогенизации плазменного потока, а торец изолятора заглублен относительно торца наружного электрода на расстояние 1=(0,1÷0,5)L, образуя коаксиальный ускорительный канал для плазменного разряда в продуктах взрыва фольги.

Электроды 5 и 6, являющиеся продолжением рабочих электродов 1 и 2, с изолятором 3 могут быть выполнены в виде кольцевого разрядника с необходимой электрической прочностью (воздушный, газовый, вакуумный разрядники, или коммутатор с цилиндрическим скользящим разрядом). Для инициации пробоя этого разрядника используются несколько компактных искровых источников плазмы 7, располагаемых равномерно по периферии электрода 5.

Источник импульсных токов 8 (например, конденсаторная батарея) для устройства коммутируется на высоковольтный электрод коммутатором 9 и соединяется с электродами 5 и 6 устройства токоподводами, например коаксиальными кабелями (на фиг.1 не показаны).

Генератор поджигающих импульсов (на фиг.1 не показан) инициирует срабатывание включающего и шунтирующего разрядников с необходимым временным интервалом.

Устройство по первому варианту работает следующим образом. При подаче инициирующего импульса от генератора поджигающих импульсов на коммутатор 9 конденсаторной батареи 8 возникает ток разряда через кольцевую фольгу 4. Высокая степень пространственной однородности плотности тока, достигаемая малым различием внутреннего и наружного периметров фольги, обеспечивает квазиоднородный ее нагрев с необходимым уровнем мощности, квазиоднородный электрический взрыв фольги и последующий электрический разряд в продуктах взрыва с формированием плазменного образования. Под действием электродинамических сил плазменное образование, двигаясь в межэлектродном зазоре протяженностью l=(0,1÷0,5)L, ускоряется, приобретая дополнительную энергию, и входит в канал транспортировки длиной L внутри наружного электрода, где гомогенизируется. Для минимальных значений аспектного отношения электродов могут использоваться конусообразные электроды, что повышает степень гомогенизации плазменного сгустка на выходе из канала транспортировки, где устанавливается подложка (или коллектор частиц) 10. Для минимизации влияния продуктов эрозии электродов и изолятора на состав продуктов эрозии фольги в момент времени, соответствующий, например, выходу плазменного образования из канала транспортировки, подаются инициирующие импульсы от генератора поджигающих импульсов на искровые источники 7, что приводит к срабатыванию шунтирующего кольцевого разрядника. Тем самым из разрядного контура исключаются основные электроды 1, 2 и оставшаяся в конденсаторной батарее энергия выделяется, в основном, в межэлектродном промежутке шунтирующего разрядника. Таким образом, обеспечиваются условия для квазиоднородного взрыва кольцевой фольги, минимизируется поступление примесей в продукты взрыва фольги, что повышает качество наносимого на субстрат покрытия, процесса легирования или металлического порошка,

Устройство - малоиндуктивная электродная система - по второму варианту состоит из двух линейных металлических электродов 11, 12 длиной L, расположенных на расстоянии L, и может включать в себя также жесткие металлические пластины 13, 14 высотой не более длины электродов L, служащие продолжением электродов 11, 12. Токоподводами служат две плоские металлические шины 15, 16, одна из которых служит обратным токопроводом, разделенные плоской изоляцией 17, например, пленочным полиэтиленом. Такая геометрия минимизирует собственную индуктивность электродной системы и способствует повышению скорости ввода энергии в фольгу. Основная фольга 18 прямоугольной (или квадратной) формы и две охранные полоски фольги 19 шириной примерно 10 мм на расстоянии ≤5 мм от нее располагаются на плоской поверхности изолятора 17, концы фольг соединяются с электродами 11, 12 с помощью прижимных устройств (на фиг.2 не показаны). С другой стороны шины могут быть соединены с электродами 20, 21 линейного шунтирующего разрядника с необходимой электрической прочностью (воздушный, газовый, вакуумный разрядники, или коммутатор с плоским скользящим разрядом). Для инициации пробоя этого промежутка используются один или несколько (в зависимости от длины электродов) компактных искровых плазменных источников 22, располагаемых равномерно по длине зазора между электродами 20, 21.

Источник импульсных токов 23 (например, конденсаторная батарея) для устройства коммутируется на высоковольтный электрод коммутатором 24 и соединяется с электродами 20 и 21 устройства токоподводами, например, коаксиальными кабелями (на фиг.2 не показаны).

Генератор поджигающих импульсов (на фиг.2 не показан). инициирует срабатывание включающего (24) и шунтирующего разрядников с необходимым временным интервалом.

Напыляемый субстрат (или мишень, или коллектор частиц) располагается над взрываемой фольгой.

Устройство по второму варианту работает следующим образом. При подаче инициирующего импульса от генератора поджигающих импульсов на коммутатор 24 конденсаторной батареи 23 возникает ток разряда через основную фольгу 18 и охранные полоски 19. Сечение охранных фольговых полосок значительно меньше сечения основной фольги, что приводит к взрыву полосок в начальный период протекания тока, однако функция охранных электродов выполняется разрядными каналами в продуктах взрыва охранных полосок в течение всего периода процесса ЭВ основной фольги. Этим, а также линейной геометрией электродов и токоподводов обеспечивается высокая пространственная однородность нагрева основной фольги и ее последующего электрического взрыва, электрического разряда в продуктах взрыва и формирования плазменного образования. При наличии ускоряющих электродов 13, 14 протяженностью L плазменный компонент продуктов взрыва, двигаясь в межэлектродном зазоре, ускоряется, приобретая дополнительную энергию, и гомогенизируется.

В момент времени, соответствующий, например, выходу плазменного образования из ускоряющего канала, подаются инициирующие импульсы от генератора поджигающих импульсов на искровые источники 22, что приводит к срабатыванию шунтирующего линейного разрядника. Тем самым из разрядного контура исключаются основные электроды 11, 12 и оставшаяся в конденсаторной батарее энергия выделяется, в основном, в межэлектродном промежутке шунтирующего разрядника. Таким образом, обеспечиваются условия для квазиоднородного взрыва основной фольги, минимизируется поступление примесей в продукты взрыва фольги, что в свою очередь повышает качество наносимого на субстрат покрытия или металлического порошка.

Использование таких устройств для реализации электровзрывных технологий позволяет получать предсказуемые результаты при нанесения покрытий, электровзрывном легировании и синтезе мелкодисперсных порошков. Положительными эффектами использования устройств являются реализация условий для квазиоднородного электрического взрыва фольги и снижения эрозии электродов и изолятора, что обеспечивает высокое качество выполняемых с помощью таких устройств технологических операций (нанесение покрытий, электровзрывное легирование, синтез мелкодисперсных порошков металла, полупроводников, углеродных материалов).

Группа изобретений относится к нанесению покрытий. Устройство по варианту 1 содержит два коаксиально размещенных электрода и цилиндрический межэлектродный изолятор. Торец центрального электрода заглублен относительно торца внешнего электрода с образованием канала для плазменного потока, на выходе из которого установлена подложка. Торец межэлектродного изолятора выполнен с возможностью размещения на нем взрываемой фольги и заглублен относительно торца центрального электрода с образованием коаксиального ускорительного канала для плазменного разряда в продуктах взрыва фольги. Устройство по варианту 2 содержит два электрода с изолятором между ними. Электроды выполнены с линейной геометрией, размещены на расстоянии друг от друга и разделены плоским изолятором, выполненным с возможностью размещения на его поверхности основной взрываемой фольги в форме прямоугольника или квадрата. Вдоль боковых сторон основной взрываемой фольги размещены дополнительно две полоски фольги, а над взрываемой фольгой расположена подложка. Электроды соединены с плоскими токопроводами. Обеспечивается повышение качества покрытия за счет квазиоднородного электрического взрыва фольги, а также снижается эрозия электродов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее коаксиальные цилиндрические электроды в виде внешнего с радиусом R и высоковольтного центрального с радиусом r и размещенный между ними цилиндрический межэлектродный изолятор, при этом торец центрального электрода заглублен относительно торца внешнего электрода, отличающееся тем, что коаксиальные цилиндрические электроды выполнены с соотношением их радиусов A=R/r≤l,5, торец высоковольтного центрального электрода заглублен относительно торца внешнего электрода на расстояние L≤2R с образованием канала для транспортировки и гомогенизации плазменного потока, на выходе из которого установлена подложка, а торец межэлектродного изолятора выполнен с возможностью размещения на нем взрываемой фольги и заглублен относительно торца центрального электрода на расстояние l=(0,1÷0,5)L с образованием коаксиального ускорительного канала для плазменного разряда в продуктах взрыва фольги.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тыльные части электродов и изолятора образуют кольцевой управляемый разрядник.

3. Устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее два электрода с изолятором между ними, отличающееся тем, что электроды выполнены с линейной геометрией длиной L, размещены на расстоянии L между собой и разделены плоским изолятором, выполненным с возможностью размещения на его поверхности основной взрываемой фольги в форме прямоугольника или квадрата со стороной L, при этом вдоль боковых сторон основной взрываемой фольги на расстоянии ≤5 мм от них размещены дополнительно две полоски фольги шириной примерно 10 мм, причем электроды соединены с плоскими токопроводами, один из которых выполнен в виде обратного токопровода, а над взрываемой фольгой расположена подложка.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно содержит металлические пластины в виде надставок электродов высотой не более длины электродов L с образованием ускорительного канала плазменного потока.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что тыльные части электродов и изолятора образуют линейный управляемый разрядник.