WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 11 |

5. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. и др. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов:

Учеб. пособие (в 2-х томах). Т. II. Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии/ Под ред. В.П. Смоленцева.- М.: Высш. школа, 1983.- 208 с.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ИЗОЛЯЦИОННЫХ И ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ 1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Среди источников тепла для сварки, пайки, спекания и других способов термообработки надежное место занимает метод нагрева мишени путем фокусирования световой энергии высокоинтенсивных источников излучения.

Светолучевыми технологиями будем называть технологии, основанные на использовании источников некогерентного света, к которым относятся Солнце, дуговые и газоразрядные лампы.

Нагрев лучистой энергией обладает по сравнению с другими способами, следующими преимуществами:

- возможностью обработки материалов независимо от их электрических и магнитных свойств;

- безконтактностью подвода энергии к изделию, при этом источник и объект могут находиться на значительном расстоянии друг от друга;

- возможностью передачи энергии через оптически-прозрачные оболочки, что позволяет проводить технологические операции в контролируемой атмосфере или в вакууме.

1.1. Взаимодействие света с твердыми телами При воздействии светового пучка на твердые тела часть потока энергии отражается от поверхности, а остальная часть поглощается образцом, вызывая его нагрев.

Количество энергии, поглощаемой мишенью, определяется законом Бугера: I(х) = I(o)(1 - R) exp(-kx), (1) где I(x) - плотность поглощенной мощности излучения, Вт/см2;

I(o) - плотность падающего потока, Вт/см2;

R - коэффициент отражения;

k - коэффициент поглощения, см-1.

Световые установки могут генерировать потоки излучения в широких пределах - от единиц до 1014 Вт/см2. В случае реализации технологических процессов, требующих нагрева образца до температуры плавления, применяются потоки, не превышающие 106 Вт/см2.

Остановимся на механизме передачи энергии света твердому телу.

Энергия поглощенных световых квантов расходуется по двум каналам:

1. Фотон передает энергию свободным электронам, что увеличивает электронную температуру. В дальнейшем, за время порядка 10-11с темкаф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ пературы электронного газа и кристаллической решетки выравниваются. Такой процесс характерен для металлов.

2. В случае диэлектрических и полупроводниковых материалов кванты света непосредственно взаимодействуют с тепловыми колебаниями атомов (фононами), что вызывает нагревание образца.

Таким образом, по обоим механизмам поглощенная твердым телом световая энергия трансформируется в тепло.

Интенсивность поглощения света веществом в соответствии с формулой (1) определяется длиной волны излучения, свойствами поверхности образца (R) и поглощательной способностью материала (k). Для металлов и непрозрачных диэлектриков свет, в основном, поглощается в слое меньше долей микрона. При этом коэффициент поглощения k = (104 - 105) см-1.

Для случая приповерхностного поглощения света температуру нагрева можно оценить по следующей формуле:

2I0 (1- R) T = T0 +, (2) где T0 - начальная температура, - коэффициент теплопроводности, - коэффициент температуропроводности материала, - время облучения.

Уравнение (2) представим в более удобном для использования виде:

(1 - R) I0( )1/ T = 273 +, (3) ( c)1/ где - плотность нагреваемого вещества, С- теплоемкость вещества.

В таблице 1 приведены теплофизические свойства ряда материалов, необходимые для расчёта температуры разогрева образца световым потоком.

Таблица Теплофизические свойства материалов Материал Удельная тепло- Коэффициент тепло- Плотность, ёмкость, проводности, г/смДж/ (кгград) Дж/ (смград) Al 924 210 2,Сталь 449 35 7,SiO2 756 13,4 2,Стекло 672 0,75 2,Полимер 1600 0,16 1, каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ 1.2. Технологии, основанные на использовании световых лучей Наиболее широкое применение энергия светового луча оптического диапазона получила при сварке разнородных металлов, высоко- и низкотемпературной пайке, фотонном отжиге полупроводниковых материалов, для спаев металлов со стеклом, в качестве имитаторов солнечной радиации, для разрушения горных пород и снятия старых силикатных покрытий. Такое относительно широкое разнообразие применения лучистой энергии от некогерентных источников объясняется их сравнительно высоким КПД (35 - 50) %, в сравнении с лазерами.

1.3. Светолучевая технологическая установка СУМ-Установка СУМ-2 представляет собой генератор лучистой энергии мощностью (0,5-1) кВт, источником которой является ксеноновая лампа сверхвысокого давления типа ДКСШ.

В таблице 2 приведены основные параметры ксеноновых ламп.

Таблица Параметры ксеноновых ламп Тип Ток, Плотность лампы А лучистого потока, МВт/мв фокальном пятне диаметром, мм 4 ДСКР 3000 120 28,5 23,2 5,0 0,37 78,4 100 4,56 2,ДСКР 5000 120 31 23,2 5,5 0,55 78,4 210 4,77 3,7,20 5,ДСКР 10000 275 36,4 25 7,0 0,75 39,2 460 7,10 6,Важнейшей характериIотн.

стикой ксеноновых ламп является и спектральный состав излучения, кото0,рый иллюстрирует рисунок 1.

0,0,Рис. 1. Относительное спектральное распределение излучения ксеноновой лампы.

200 400 600 800, нм клм см см Напряжение, В Длина лампы, Длина дуги, Давление, Па см Диаметр колбы, Световой поток, каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Принцип работы установки СУМ-2 состоит в следующем: основными деталями установки являются ксеноновая лампа и эллиптический отражатель, имеющий фокусы f1 и f2.В фокусе f1 располагается разрядная дуга ксеноновой лампы. Излучение лампы концентрируется эллиптическим отражателем в фокусе f2, где и помещается нагреваемая мишень.



Диаметр фокального пятна (dф) в данном случае составляет (3-5) мм.

Зная мощность, подаваемую на лампу и КПД установки, можно определить плотность падающего потока при известном диаметре фокального пятна (dф):

4N I0 =, (4) dф где N - мощность, подаваемая на лампу, - коэффициент полезного действия лампы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы - Освоить технологию нанесения защитного стеклоэмалевого покрытия на стальную подложку с помощью светового луча.

- Изучить технологии обработки поверхности мишени мощным световым лучом.

- Экспериментальное освоение технологии нанесения стеклоэмалевого покрытия на стальную подложку, выбор мощности, диаметра фокального пятна, времени термообработки, определение прочности покрытия в зависимости от технологических параметров установки.

2.2. Принципиальная схема установки СУМ-2, органы регулировки и последовательность включения Схема состоит из трехфазного трансформатора 10 кВт, «двенадцатифазного» выпрямителя на 30 В, обычного трехфазного выпрямителя вольтдобавки - 60 В, составного транзистора из 80 приборов П210А.

Схема обеспечивает подачу на межэлектродный промежуток лампы напряжение 27 кВ с частотой 1000 Гц.

Последовательность включения:

1. Включить воду, приточную и вытяжную вентиляцию.

2. Включить тумблер «Питание», проверить наличие всех фаз по неоновым индикаторам.

3. Включить кнопку «Питание вкл.», при этом вольтметр должен показать напряжение на лампе 30 V.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ 4. Тумблер «Поджиг-работа» в положении «Поджиг», потенциометр против часовой стрелки до упора.

5. Кратковременно нажать кнопку «Поджиг» и, если лампа загорелась, поставить тумблер в положение «Работа».

6. Потенциометром установить нужный ток, величина которого указывается преподавателем.

УСТРОЙСТВО ПОДЖИГА БЛОК ПИТАНИЯ КСЕНОНОБЛОК ВАЯ ЛАМПА РЕГУЛИРОВКИ ТОКА Рис. 2. Блок-схема установки СУМ-2.3. Технология нанесения стеклоэмалевого покрытия На минимальном значении тока с помощью керамической мишени определяется пространственное расположение фокального пятна нужного диаметра (рабочая зона).

Выставляется рабочий ток. Стальной образец - подложка помещается в световой поток. При достижении образцом достаточной температуры, что контролируется по времени воздействия и визуально, образец «окунается» в порошок эмали, т.е. как бы «напудривается». Минимум двукратным стряхиванием удаляются излишки эмали. «Напудренный» образец помещается в рабочую зону.

После оплавления эмали повторяются операции «напудривание» и «оплавление». При оплавлении недопустим перегрев и появление пузырей.

По достижении достаточной толщины эмалевого слоя процесс прекращается.

Ток сбрасывается до минимального и образец помещается в керамическую емкость для постепенного охлаждения. В качестве покрытия используется стеклянный порошок. Подложкой служат образцы из стали.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ 2.4. Испытания покрытий Механическую прочность стеклоэмалевого покрытия оценивают по испытанию на ударную прочность. Прочность на удар характеризуют работой (в кГм), которая вызывает повреждение эмалевого покрытия при ударе. Повреждением считают появление первой трещины или откол эмали с обнажением металла. Испытание проводят вертикальным падением стального шарика радиусом примерно 12,5 мм, постепенно увеличивая высоту падения.

Возможно изучение влияния на прочность:

а) толщины покрытия, б) способа нанесения (шликерный или пудровый), в) режимов наплавления (варьируя время и мощность лампы).

2.5. Порядок работы 1. Подготовить к работе установку СУМ-2.

2. Подготовить образцы подложки и эмалевую пудру.

3. Настроить установку СУМ-2 на необходимый режим.

4. Провести технологический цикл в соответствии с п. 2.3.

5. Осуществить испытания изделий в соответствии с п. 2.4.

6. В отчете представить:

а) физические основы светолучевых технологий, б) принцип действия и схему СУМ-2, в) технологию эмалирования изделий, г) результаты испытания качества изделий в зависимости от технологических параметров. Объяснить полученные результаты.

2.6. Контрольные вопросы 1. Закон Бугера-Ламберта.

2. Изложите физику нагрева мишени световым лучом.

3. В чем сущность светолучевых технологий и их преимуществ 4. Технология нанесения покрытий с помощью светового излучения.

2.7. Литература 1. Фролов В.А. и др. Использование энергии светового луча в технологических целях. //Сварочное производство.- 1993.- N 4.- С. 1214.

2. Ларкина Л.П. Применение лучистой энергии оптического диапазона для разрушения горных пород.- Киев: Наукова дума, 1976.- 108 с.

3. Варгина и др. Импульсная термообработка материалов полупроводниковой электроники некогерентным светом. // Зарубежная электронная техника. -1983.- В. 1(259).- С. 3-57.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ ПЛАЗМЕННОЕ ТРАВЛЕНИЕ ТОНКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Плазма и ее свойства Плазмой называется ионизованный газ, в котором атомы (все или значительная их часть) потеряли по одному или по несколько электронов и превратились в положительно заряженные ионы. Плазма характеризуется степенью ионизации – отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема вещества. В зависимости от величины говорят о слабо ( составляет доли процента), умеренно (несколько процентов) и полностью ( близко к 100%) ионизованной плазме.





В общем случае можно считать, что плазма представляет собой смесь трех компонент: свободные электроны, ионы и нейтральные атомы (или молекулы).

Плазма - наиболее распространенное состояние вещества в природе.

Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Внешняя поверхность земной атмосферы покрыта плазменной оболочкой-ионосферой. За пределами ионосферы находятся радиационные пояса, которые относятся к своеобразным плазменным образованиям. В земных условиях в лаборатории и в технике с плазмой мы встречаемся при различных газовых разрядах, так как любой газовый разряд (молния, искра, дуга и др.) всегда связаны с возникновением плазмы.

Одной из важнейших характеристик плазмы является ее плотность или число заряженных частиц в единице объема. Возможные значения плотности плазмы изменяются в очень широком диапазоне: от 10-6см-3 в межгалактическом пространстве до 1022 см-3 в центральных областях звезд. Наиболее характерная плотность технической плазмы соответствует (108-1019) см-3.

Другая характеристика плазмы – ее температура (Тп).

В зависимости от способа получения существует два типа плазмы:

1. Высокотемпературная или равновесная плазма (Тп = 106 К - 108 К).

Ионизация газа в данном случае происходит под действием сверхвысоких температур, при этом температуры электронов и ионов приблизительно равны. Именно такое состояние вещества характерно для Солнца и звезд.

2. Низкотемпературная или неравновесная плазма (Тп < 104 К).

Причиной ее возникновения является газовый разряд.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Когда создается плазма с помощью электрического разряда, то энергию от источника электрического поля получают, прежде всего, легкие частицы-электроны. Они ускоряются, а значит, и нагреваются под действием электрических сил. Поэтому в газоразрядной плазме, как правило, температура электронов (Тэ) значительно превышает температуру ионов (Ти). Перераспределение тепла в плазме происходит за счет столкновений электронов и ионов. Однако, ввиду большой разницы в массах сталкивающихся частиц, в одном акте соударения электрон передает иону небольшую порцию энергии. Поэтому для выравнивания электронной и ионной температур необходимо большое число соударений, что реализуется только в высококонцентрированной плазме. В связи с этим, газоразрядная плазма, как правило, является неравновесной, то есть температура электронов много больше температуры ионов.

1.2. Плазмотроны Газоразрядная плазма создается в специальных устройствахплазмотронах. Представим основные разновидности этих устройств.

Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из следующих узлов:

внутреннего электрода, разрядной камеры и устройства подачи плазмообразующего вещества. Различают два типа дуговых плазмотронов - для формирования плазменной дуги и для создания плазменной струи. В устройствах первой группы (плазмотроны прямого действия) дуговой разряд горит между внутренним электродом и обрабатываемым материалом, служащим анодом. В устройствах второй группы (плазмотроны косвенного действия) плазма, создаваемая в разряде между электродом и корпусом, истекает из разрядной камеры в виде струи. Стабилизация разряда в дуговых плазмотронах в большинстве случаев осуществляется с помощью магнитного поля.

Плазмоструйные плазмотроны используются при термической обработки металлов, для нанесения покрытий. Плазмодуговые плазмотроны служат для сварки, резки, плавки электропроводных материалов. Мощности дуговых плазмотронов-102-107 Вт. Температура струи на срезе сопла 3000-12000 К.

Высокочастотный плазмотрон включает: электромагнитную катушку, индуктор или электроды, подключенные к источнику ВЧэнергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества.

Различают ВЧ-плазмотроны индукционные, емкостные, факельные.

Мощность ВЧ-плазмотронов достигает 106 Вт, температура в центре разрядной камеры достигает 10000 К. Частота электромагнитного поля лежит в пределах (10-50) МГц.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ 1.3. Основные особенности высокочастотного разряда Под действием ВЧ-электрического поля электроны приобретают энергии порядка (10-100) эВ и оказываются способными эффективно ионизовать при соударениях атомы и молекулы газа. Распределение электронов по энергиям имеет сложный характер, отличный от распределения Максвелла. При давлениях газа близких к атмосферному между электродами возникает высокочастотная корона, которая при соответствующей мощности генератора переходит в высокочастотную дугу. При низких давлениях газа режим ВЧ-разряда близок к режиму тлеющего разряда. Высокочастотный разряд используется для образования плазмы в ионных источниках, в молекулярных лазерах для создания однородной активной среды, для осуществления плазмохимических процессов.

1.4. Использование газоразрядной плазмы в микроэлектронных технологиях Микроэлектроника это отрасль электронной техники, цель которой состоит в создании устройств в микроминиатюрном исполнении.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 11 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.