RU2371379C1 - Plating method of nano-coating and device for its implementation - Google Patents
Plating method of nano-coating and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2371379C1 RU2371379C1 RU2008113318/02A RU2008113318A RU2371379C1 RU 2371379 C1 RU2371379 C1 RU 2371379C1 RU 2008113318/02 A RU2008113318/02 A RU 2008113318/02A RU 2008113318 A RU2008113318 A RU 2008113318A RU 2371379 C1 RU2371379 C1 RU 2371379C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vacuum chamber
- plasma
- anode
- target
- powder
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменным способам и устройствам получения нанопокрытий из различных материалов, в частности пленок из окислов, карбидов и других соединений, которые могут использоваться для модификации материалов для повышения их эксплуатационных характеристик, разработки новых высокоэффективных каталитических систем и применяться в различных отраслях промышленности - радиоэлектронной, авиационной, энергетике и др.The invention relates to plasma methods and devices for producing nanocoatings from various materials, in particular films of oxides, carbides and other compounds that can be used to modify materials to increase their operational characteristics, to develop new highly efficient catalytic systems and to be used in various industries - electronic, aviation, energy, etc.
Известны различные способы и устройства для получения нанопорошков и нанесения нанопокрытий физическими методами: газоплазменный метод, ионно-плазменное напыление, катодное напыление, электродуговой метод, метод реактивного магнетронного распыления, детонационное напыление и лазерная наплавка и другие.Various methods and devices for producing nanopowders and applying nanocoatings by physical methods are known: gas-plasma method, ion-plasma spraying, cathode spraying, electric arc method, reactive magnetron sputtering method, detonation spraying and laser surfacing and others.
В плазменном методе источником высокой температуры обычно является плазменная струя, которая образуется в специальных горелках (плазмотронах). При возбуждении дуги между катодом и анодом (соплом) происходит ионизация газа и образование плазменной струи. Скорость истечения ионизированного газа из сопла плазмотрона составляет ~300 м/сек при температуре ~1 эВ. Напыляемый материал в виде порошка вводится в струю плазмы при помощи транспортирующего газа (аргона) и устройства дозированной подачи порошка-дозатора. Скорость частиц напыляемого материала в струе при подлете к напыляемой поверхности составляет ≤100 м/сек.In the plasma method, the source of high temperature is usually the plasma jet, which is formed in special burners (plasmatrons). When an arc is excited between the cathode and the anode (nozzle), gas ionizes and forms a plasma jet. The velocity of the outflow of ionized gas from the plasma torch nozzle is ~ 300 m / s at a temperature of ~ 1 eV. The sprayed material in the form of a powder is introduced into the plasma jet using a conveying gas (argon) and a metered powder dispensing device. The speed of the particles of the sprayed material in the jet when approaching the sprayed surface is ≤100 m / s.
В настоящее время широко ведутся работы по получению наноструктурированных покрытий с помощью магнетронного распыления (заявка US №20070209927), импульсных источников плазмы (US №2005011748). Также защищаются различные устройства для создания плазменных потоков, например, эрозионной плазмы, для получения тонких пленок (патенты РФ №№950167, 1116967).Currently, work is underway to obtain nanostructured coatings using magnetron sputtering (application US No. 20070209927), pulsed plasma sources (US No. 2005011748). Also protected are various devices for creating plasma flows, for example, erosive plasma, for producing thin films (RF patents Nos. 950167, 1116967).
Известны патенты, в которых описаны различного вида источники плазмы, в которые с различными целями вводят порошкообразные материалы. Так известен патент РФ №2197556, в котором для упрочнения поверхности легирующие добавки в виде порошка вводят в камеру импульсного источника плазмы. В патенте США №5593740 в установку типа «плазменная дуга» вводят с определенной скоростью порошок металла. В патенте РФ №2195745 предложен плазменный генератор, в камеру которого вводят массив порошкообразных частиц, претерпевающих термохимические превращения, увеличивающие энергию светового излучения.Patents are known in which various types of plasma sources are described in which powdered materials are introduced for various purposes. So known patent of the Russian Federation No. 2197556, in which to harden the surface of the alloying additives in the form of a powder is introduced into the chamber of a pulsed plasma source. In US Pat. No. 5,593,740, metal powder is introduced at a certain rate into a plasma arc type apparatus. In the patent of the Russian Federation No. 2195745 a plasma generator is proposed, in the chamber of which an array of powder particles is introduced, undergoing thermochemical transformations that increase the energy of light radiation.
Ведутся также работы по изготовлению катализаторов в виде наноструктурированных тонких пленок, получаемых различными методами, например осаждением из газовой фазы, патент РФ №2233791. Из плазменных методов получения катализаторов можно отметить решение, защищенное в патенте РФ №2205787 «Способ изготовления катализатора на ленточном металлическом носителе», в котором получают наноструктурированный многослойный катализатор путем плазменного напыления с помощью плазмотрона.Work is also underway on the manufacture of catalysts in the form of nanostructured thin films obtained by various methods, such as gas vapor deposition, RF patent No. 2233791. Of the plasma methods for producing catalysts, one can note the solution protected in RF patent No. 2205787 "Method for the manufacture of a catalyst on a metal tape carrier" in which a nanostructured multilayer catalyst is obtained by plasma spraying using a plasma torch.
Близким к заявляемому является также решение, защищенное патентом РФ №2180160 «Способ получения фракталоподобных структур и устройство для его осуществления», в котором предложена технология получения наноструктурированных покрытий из различных материалов с использованием импульсного плазменного разряда.Close to the claimed is also a solution protected by RF patent No. 2180160 "Method for producing fractal-like structures and a device for its implementation", which proposed a technology for producing nanostructured coatings from various materials using a pulsed plasma discharge.
Основной недостаток описанных выше методов заключается в низкой энергии частиц, наносимых на подложку, и, соответственно, слабой адгезии. Как уже отмечалось выше, температура плазмы в используемых методах составляет от долей до единиц электронвольт, а скорость осаждаемых частиц не превышает сотни метров в секунду.The main disadvantage of the methods described above is the low energy of the particles deposited on the substrate, and, accordingly, poor adhesion. As noted above, the plasma temperature in the methods used is from fractions to units of electron volts, and the speed of the deposited particles does not exceed hundreds of meters per second.
Возможность получения наноструктур в плазмофокусном разряде показана в патенте Японии №6279978, в котором использовано термическое распыление материала анода с помощью плазменного фокуса. Известен способ получения нанопокрытия из хрома при распылении материала анода (М. Chemyshova et al., Czechoslovak Journal of Physics, Vol.56 (2006), Suppl. В, 237). Отмечалось также кумулятивное образование облака из наночастиц ванадия при облучении ванадиевой мишени плазменными потоками, формируемыми в плазменном фокусе (Л.И.Иванов и др., Перспективные материалы, 2004, №3, 31).The possibility of obtaining nanostructures in a plasma focus discharge is shown in Japanese Patent No. 6279978, which uses thermal sputtering of the anode material using a plasma focus. A known method of producing nanocoating from chromium by spraying anode material (M. Chemyshova et al., Czechoslovak Journal of Physics, Vol. 56 (2006), Suppl. B, 237). Cumulative cloud formation from vanadium nanoparticles upon irradiation of a vanadium target by plasma streams formed in the plasma focus was also noted (L.I. Ivanov et al., Prospective materials, 2004, No. 3, 31).
Наиболее близкими к заявляемым являются способ нанесения нанопокрытий в установке типа «плазменный фокус» и устройство для его осуществления (T.Zhang et al., J.Phys. D: Appl.Phys. 39, (2006), 2212).Closest to the claimed are a method of applying nanocoatings in the installation type "plasma focus" and a device for its implementation (T. Zhang et al., J.Phys. D: Appl.Phys. 39, (2006), 2212).
Способ нанесения нанопокрытия заключается в распылении материала анода плазменными потоками и электронным пучком, образующимися в пинче, и осаждении наночастиц этого материала на кремниевые подложки, расположенные под разными углами на расстоянии 120 мм от торца анода.The method of applying nanocoating consists in spraying the anode material with plasma flows and an electron beam formed in a pinch, and depositing nanoparticles of this material on silicon substrates located at different angles at a distance of 120 mm from the end of the anode.
В качестве устройства используется установка типа «плазменный фокус», состоящая из двух коаксиальных электродов - анода и катода, разделенных изолятором, вакуумной разрядной камеры и источника питания. В торец центрального электрода - анода впрессовывается вставка из распыляемого материала, в данном случае из Fe-Co.As a device, a “plasma focus” type setup is used, consisting of two coaxial electrodes — an anode and a cathode, separated by an insulator, a vacuum discharge chamber, and a power source. An insert from a sprayed material, in this case from Fe-Co, is pressed into the end of the central electrode - anode.
В результате получены нанопокрытия из Fe-Co, обладающие магнитными свойствами. Основными преимуществами здесь являются возможность нанесения покрытий в различных активных газовых средах, высокая скорость осаждения, более высокая энергия осаждаемых наночастиц по сравнению, например, с плазмотронами. По имеющимся литературным данным, скорость поступления в камеру испаренного материала анода в плазмофокусном разряде составляет 103-104 м/с. Однако при таком подходе элементный состав нанопокрытий, наносимых на подложки, определяется только материалом анода. Это заметно сужает диапазон элементного состава наносимых покрытий, а также затрудняет нанесение комбинированных и составных покрытий. Кроме того, процесс испарения материала анода носит взрывной характер и трудно поддается регулировке.As a result, Fe-Co nanocoatings with magnetic properties were obtained. The main advantages here are the possibility of coating in various active gas media, high deposition rate, higher energy of deposited nanoparticles in comparison with, for example, plasmatrons. According to available literature data, the rate of entry into the chamber of the vaporized material of the anode in the plasma focus discharge is 10 3 -10 4 m / s. However, with this approach, the elemental composition of nanocoatings deposited on substrates is determined only by the anode material. This significantly narrows the range of elemental composition of the applied coatings, and also makes it difficult to apply combined and composite coatings. In addition, the process of evaporation of the anode material is explosive and difficult to adjust.
Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является управляемое повышение энергии наносимых частиц материала нанопокрытия и улучшение адгезии покрытия с подложкой, расширение компонентного состава покрытия, возможность нанесения сложных композитных покрытий.The technical result, which the invention is directed to, is a controlled increase in the energy of the applied particles of the nanocoating material and improved adhesion of the coating to the substrate, expansion of the coating composition, and the possibility of applying complex composite coatings.
Для этого предложены способ и устройство нанесения нанопокрытий.For this, a method and device for applying nanocoatings are proposed.
Способ нанесения нанопокрытий состоит в плазменном распылении наносимого вещества на подложку в вакуумной камере, при этом на подложку осаждают наночастицы, полученные при испарении в плазме импульсного сильноточного разряда, пинчующегося под действием собственного магнитного поля, мишени, представляющей собой свободно падающий мелкодисперсный порошок.The method of applying nanocoatings consists in plasma spraying the deposited substance on a substrate in a vacuum chamber, while nanoparticles deposited on the substrate by evaporation in a plasma of a pulsed high-current discharge, pinching under the influence of its own magnetic field, target, which is a freely falling fine powder.
При этом мишень из мелкодисперсного порошка формируют, подавая его в зону испарения из резервуара, расположенного вне вакуумной камеры.In this case, a target of fine powder is formed by feeding it into the evaporation zone from a tank located outside the vacuum chamber.
Параметры мишени регулируют путем изменения времени задержки между открытием резервуара и началом импульсного сильноточного разряда.The target parameters are controlled by changing the delay time between the opening of the tank and the beginning of a pulsed high-current discharge.
Кроме того, длительность открытия резервуара должна быть меньше времени пролета мелкодисперсной фракции порошка до зоны испарения.In addition, the duration of the opening of the tank should be less than the time of flight of the finely divided fraction of the powder to the evaporation zone.
Нанесение нанопокрытия проводят при заполнении вакуумной камеры сильноизлучающим газом с большим порядковым номером.The nanocoating is carried out when filling the vacuum chamber with a highly emitting gas with a high serial number.
Устройство для нанесения нанопокрытий вышеуказанным способом состоит из вакуумной камеры, анода и катода, разделенных изолятором, источника питания, подложек, установленных вблизи анода, при этом вакуумная камера выполнена симметричной относительно вертикальной оси, а вне вакуумной камеры по ее оси установлен резервуар с мелкодисперсным порошком, соединенный с вакуумной камерой пролетной трубой, в верхней части которой расположен электромагнитный затвор, а в нижней - вакуумный затвор.The device for applying nanocoatings by the above method consists of a vacuum chamber, an anode and a cathode separated by an insulator, a power source, substrates installed near the anode, while the vacuum chamber is symmetrical about the vertical axis, and a fine powder reservoir is installed along the axis of the vacuum chamber, connected to the vacuum chamber by a passage pipe, in the upper part of which there is an electromagnetic shutter, and in the lower part - a vacuum shutter.
Корпус вакуумной камеры и катод могут быть выполнены в виде одного конструктивного элемента.The housing of the vacuum chamber and the cathode can be made in the form of a single structural element.
Центральная часть анода может быть выполнена сменной.The central part of the anode can be made removable.
Кроме того, поверхность центральной части анода может быть выполнена с углублением.In addition, the surface of the Central part of the anode can be made with a recess.
Кроме того, поверхность центральной части анода может быть выполнена плоской.In addition, the surface of the Central part of the anode can be made flat.
Таким образом, при попадании мелкодисперсного порошка в вакуумную камеру формируется подвижная мишень из микрочастиц этого порошка. Под действием сначала излучения сжимающейся токовой оболочки, а после схождения оболочки на мишень - и непосредственно высокотемпературной плазмы оболочки, частицы мишени микронного и субмикронного размера испаряются. Затем продукты испарения ионизуются и сжимаются собственным магнитным полем тока, протекающего через плазму. В результате пинчевания повышается плотность плазмы, а ее температура увеличивается до величины от сотен электронвольт до нескольких кэВ. После распада пинча плазма расширяется с тепловой скоростью, вещество испарившегося порошка конденсируется и оседает на подложках в виде фрактальных наноструктур с развитой активной поверхностью. Поскольку трансформация микрочастиц происходит как под действием мощного излучения плазмы сжимающейся токовой оболочки, так и под воздействием непосредственно высокотемпературной плазмы пинча, это приводит к значительному росту эффективности образования наноструктур, высокой энергии образующихся наночастиц и обеспечивает практически неограниченный набор возможного компонентного состава наночастиц. Так как энергия наносимых частиц определяется температурой и плотностью пинчевой плазмы, параметры наноструктурных покрытий можно регулировать, изменяя параметры разряда (разрядный ток, давление и вид газа, заполняющего вакуумную камеру) и порошковой мишени (диаметр мишени, размер и состав частиц).Thus, when finely dispersed powder enters the vacuum chamber, a mobile target is formed from microparticles of this powder. Under the action of radiation from a compressing current shell first, and after the shell converges onto the target, and directly from the high-temperature plasma of the shell, the target particles of micron and submicron size evaporate. Then, the evaporation products are ionized and compressed by the intrinsic magnetic field of the current flowing through the plasma. As a result of pinching, the plasma density increases, and its temperature increases to a value from hundreds of electron-volts to several keV. After the pinch decays, the plasma expands at a thermal rate, the substance of the evaporated powder condenses and settles on the substrates in the form of fractal nanostructures with a developed active surface. Since the transformation of microparticles occurs both under the action of powerful radiation from a plasma of a compressing current shell and under the influence of a directly high-temperature pinch plasma, this leads to a significant increase in the efficiency of formation of nanostructures and the high energy of the resulting nanoparticles and provides an almost unlimited range of possible component composition of nanoparticles. Since the energy of the applied particles is determined by the temperature and density of the pinch plasma, the parameters of nanostructured coatings can be controlled by changing the parameters of the discharge (discharge current, pressure and type of gas filling the vacuum chamber) and the powder target (target diameter, particle size and composition).
При этом сохраняется возможность комплексного подхода к образованию наноструктур. При одновременном воздействии на анод возникающих в разряде мощных электронных пучков и кумулятивных плазменных потоков на подложку наносятся также и частицы материала анода, аналогично прототипу. Центральная часть анода имеет сменную вставку, что позволяет регулировать поступление в объем паров материала анода. В случае вставки с углублением поступление паров минимизируется и состав наносимого покрытия определяется в основном материалом порошковой мишени. В случае плоской анодной вставки происходит интенсивное испарение материала вставки. Путем изменения материала вставки и элементного состава исходного порошка можно наносить сложные по составу покрытия.At the same time, the possibility of an integrated approach to the formation of nanostructures remains. With the simultaneous action of powerful electron beams and cumulative plasma flows arising in the discharge on the anode, particles of the anode material are also deposited on the substrate, similarly to the prototype. The central part of the anode has a removable insert, which allows you to adjust the flow into the volume of the vapor material of the anode. In the case of an insert with a recess, the entry of vapors is minimized and the composition of the applied coating is determined mainly by the material of the powder target. In the case of a flat anode insert, intense evaporation of the insert material occurs. By varying the material of the insert and the elemental composition of the starting powder, complex coatings can be applied.
На фигуре 1 приведен пример исполнения предлагаемого устройства, где 1 - анод; 2 - вакуумная камера-катод; 3 - изолятор; 4 - сменная анодная вставка; 5 - токово-плазменная оболочка; 6 - пинч; 7 - мишень из мелкодисперсного порошка; 8 - вакуумный затвор; 9 - пролетная труба; 10 - резервуар с мелкодисперсным порошком; 11 - электромагнитный затвор; 12 - устройство ввода подложки; 13 - держатель подложек, 14 - источник питания, 15 - блок управления.The figure 1 shows an example of the proposed device, where 1 is the anode; 2 - vacuum cathode chamber; 3 - insulator; 4 - replaceable anode insert; 5 - current-plasma membrane; 6 - pinch; 7 - target of fine powder; 8 - a vacuum lock; 9 - span pipe; 10 - a tank with fine powder; 11 - electromagnetic shutter; 12 - input device of the substrate; 13 - substrate holder, 14 - power source, 15 - control unit.
На фигуре 2 показана динамика изменения формы мишени из мелкодисперсного порошка оксида алюминия, формируемой вблизи поверхности анода в вакуумной камере при заполнении ее неоном при давлении 1.5 Торр.The figure 2 shows the dynamics of the shape of the target from a fine powder of aluminum oxide formed near the surface of the anode in a vacuum chamber when filling it with neon at a pressure of 1.5 Torr.
На фигуре 3 приведена фотография пинча 6 в рентгеновском излучении.The figure 3 shows a photograph of
На фигуре 4 показана морфология поверхности подложки из нержавеющей стали, полученная в контрольном эксперименте в импульсном сильноточном разряде в чистом неоне без добавления порошка. Фотография поверхности сделана с помощью электронного сканирующего микроскопа.The figure 4 shows the surface morphology of the stainless steel substrate, obtained in a control experiment in a pulsed high-current discharge in pure neon without adding powder. A photograph of the surface was taken using an electron scanning microscope.
На фигурах 5-11 показаны морфологии поверхностей подложек из нержавеющей стали в экспериментах с мелкодисперсным порошком при тех же прочих экспериментальных условиях.Figures 5-11 show the surface morphology of stainless steel substrates in experiments with fine powder under the same other experimental conditions.
Устройство типа «плазменный фокус» состоит из анода 1 и катода 2, разделенных изолятором 3. В предлагаемом варианте устройства функции катода и корпуса вакуумной камеры совмещены. Вакуумная камера 2 выполнена симметричной относительно вертикальной оси. В центре анода располагается сменная анодная вставка 4. С помощью устройства ввода подложек 12 в вакуумную камеру 2 вводится держатель 13 с закрепленными на нем подложками. Энергия подается в разряд от внешнего источника питания 14. Может быть использован любой импульсный источник питания, согласованный по своим параметрам с размерами электродной системы, например конденсаторная батарея с управляемым коммутатором (не показаны). Устройство содержит источник мелкодисперсного порошка, расположенный вне вакуумной камеры 2 по ее вертикальной оси. Он представляет собой резервуар с мелкодисперсным порошком 10, соединенный с вакуумной камерой 2 пролетной трубой 9, в верхней части которой расположен электромагнитный затвор 11 с блоком управления 15, а в нижней части - вакуумный затвор 8.A device of the "plasma focus" type consists of
С помощью источника мелкодисперсного порошка на вертикальной оси устройства создается мишень 7 в виде столба из мелкодисперсных частиц напыляемого порошка с необходимыми параметрами. Для облегчения формирования мишени выбрана вертикальная схема размещения оси симметрии установки. Диаметр анода и параметры разряда (разрядный ток, давление и вид газа, заполняющего вакуумную камеру) выбираются исходя из требования эффективного формирования мишени из исходного порошка с заданными параметрами (диаметр мишени, размер и состав частиц) и необходимого удельного энерговклада на частицу, достаточного для испарения частиц мишени.Using the source of fine powder on the vertical axis of the device creates a
Устройство работает следующим образом. После срабатывания управляемого коммутатора (не показан) напряжение источника питания 14 прикладывается к электродам установки и происходит пробой разрядного промежутка. На начальном этапе разряда ток скинируется вдоль изолятора 3 и формируется токово-плазменная оболочка 5. Образовавшаяся токово-плазменная оболочка 5 под действием пондеромоторных сил отрывается от изолятора 3 и ускоряется вдоль анода к оси устройства, ионизуя и сгребая нейтральный газ, постепенно увеличивая свою массу. В качестве газа, заполняющего вакуумную камеру 2, можно использовать сильноизлучающий газ с большим порядковым номером, например неон, аргон, криптон и др.The device operates as follows. After the operation of the managed switch (not shown), the voltage of the
В течение этой стадии разрядный ток растет, достигая максимума за время в несколько микросекунд, в зависимости от размеров анода 1 и параметров цепи, и происходит трансформация энергии источника питания 14 в магнитную энергию токово-плазменной оболочки 5. На заключительной стадии разряда происходит быстрое сжатие плазмы на вертикальной оси устройства и образование пинча 6 с плотностью плазмы ~1018-1019см-3 и температурой от нескольких сотен эВ до ≥1 кэВ.During this stage, the discharge current increases, reaching a maximum in a few microseconds, depending on the size of the
Как уже отмечалось, в предлагаемом решении на вертикальной оси устройства формируется мишень из мелкодисперсного порошка 7 с помощью источника порошка.As already noted, in the proposed solution on the vertical axis of the device a target is formed from
Таким образом, сжатие токонесущей плазменной оболочки осуществляется на специально приготовленную мишень, состоящую из мелкодисперсных частиц микронного и субмикронного размера в зависимости от используемого исходного порошка и решаемых задач.Thus, the compression of the current-carrying plasma shell is carried out on a specially prepared target, consisting of fine particles of micron and submicron size, depending on the source powder used and the problems to be solved.
Формирование мишени 7 из мелкодисперсного порошка представляет собой сложную задачу. Основная сложность заключается в «слипании» частичек порошка и образовании агломератов больших размеров. Нами предложено формировать мишень на вертикальной оси устройства в виде свободно падающего потока мелкодисперсного порошка. Предлагаемое устройство работает в условиях стационарного заполнения вакуумной камеры 2 газом (например, неон) под давлением в несколько Торр. В этом случае устанавливается свободномолекулярный режим падения частиц порошка из резервуара 10 через пролетную трубу 9, в результате чего, за счет влияния вязкости, частицы с различными размерами имеют разную скорость падения и происходит сепарация первичного потока по размерам частиц. Поскольку длительность процессов в плазмофокусном разряде (несколько микросекунд) очень мала по сравнению с характерными газодинамическими временами, порошковую мишень в момент разряда можно рассматривать как стационарную. При условии, что длительность открытия резервуара с порошком 10 меньше длительности пролета частиц, путем изменения временной задержки между открытием резервуара 10 и инициированием разряда можно организовать сжатие плазмы на порошковую мишень с требуемыми параметрами независимо от качества исходного порошка.The formation of
Источник порошка - резервуар с мелкодисперсным порошком 10, пролетная труба 9, электромагнитный затвор 11 с блоком управления 15 и вакуумный затвор 8 - расположен вне вакуумной камеры 2 и не вносит неоднородностей, нарушающих динамику токово-плазменной оболочки 5. При закрытом вакуумном затворе 8 объем источника может автономно откачиваться до давления лучше чем 10-2 Торр (остаточное давление как в источнике, так и в основной вакуумной камере определяется исходя из требований к чистоте наносимых покрытий), а также заполняться атмосферным воздухом для замены резервуара с порошком без нарушения вакуумных условий в вакуумной камере. Источник порошка после заправки герметизируется, откачивается, а затем через вакуумный затвор 8 подсоединяется к вакуумной камере 2, заполненной рабочим газом. С помощью блока управления 15 электромагнитный затвор 11 открывается на время длительностью менее секунды, в результате чего образуется небольшой зазор между затвором и дном резервуара. Порошок под действием силы тяжести просыпается в этот зазор и, падая через пролетную трубу 9, попадает в зону пинчевания токовой оболочки 6.The powder source - a reservoir with
В проведенных экспериментах для нанесения нанопокрытия использовался порошок оксида алюминия Аl2O3 различной дисперсности (от долей микрона до сотни микрон). Оксид алюминия указанной дисперсности характеризуется достаточно низким сопротивлением сдвиговой деформации и равномерно истекает из резервуара 10 под действием силы тяжести через узкую коническую кольцевую щель шириной ~1 мм и диаметром 6 мм, открывающуюся при подъеме якоря электромагнитного затвора 11. Величиной щели регулируется массовый расход порошка из резервуара 10 и, соответственно, плотность потока порошка в области взаимодействия с токово-плазменной оболочкой 5. В экспериментах электромагнитный затвор 11 включался на 0.2 секунды. Порошок после просыпания через кольцевую щель поступал в пролетную трубу 9 диаметром 40 см и длиной 50 см. Далее поток порошка распространялся свободно в вакуумной камере вплоть до поверхности анода (~20 см). В результате влияния вязкости происходит сепарация частиц по размерам на длине пролета.In the experiments performed, for the deposition of nanocoating, Al 2 O 3 alumina powder of various dispersion was used (from fractions of a micron to hundreds of microns). Alumina of the indicated dispersion is characterized by a rather low resistance to shear deformation and uniformly flows out of the
На фигуре 2 показана динамика изменения формы мишени из мелкодисперсного порошка оксида алюминия, формируемой вблизи поверхности анода в вакуумной камере при заполнении ее неоном при давлении 1.5 Торр. Фотографии получены через различные промежутки времени относительно открытия резервуара с порошком 10 (временная задержка указана непосредственно на кадрах). Экспозиция 1-6 кадров - 10 мс, экспозиция 20-28 кадра - 100 мс, большое деление пространственной шкалы 1 см. Наиболее крупные частицы порошка пролетают всю высоту падения со скоростью свободного падения за 0.375 с. Мелкие фракции тормозятся в газе тем сильнее, чем они мельче. Т.е. в процессе падения порошок эффективно разделяется на фракции. Этим способом мы смогли существенно улучшить однородность состава порошка по размерам частиц и контролируемо выбирать нужные размеры частиц в момент взаимодействия с плазмой пинча.The figure 2 shows the dynamics of the shape of the target from a fine powder of aluminum oxide formed near the surface of the anode in a vacuum chamber when filling it with neon at a pressure of 1.5 Torr. The photographs were taken at various time intervals relative to the opening of the powder tank 10 (the time delay is indicated directly on the frames). Exposure of 1-6 frames - 10 ms, exposure of 20-28 frames - 100 ms, a large division of the spatial scale of 1 cm. The largest powder particles fly through the entire height of incidence with a speed of free fall in 0.375 s. The fine fractions are slowed down in the gas the stronger, the smaller they are. Those. in the process of falling, the powder is effectively divided into fractions. In this way, we were able to significantly improve the uniformity of the composition of the powder by the size of the particles and to control the desired particle sizes at the moment of interaction with the pinch plasma.
Времена падения и скорости частиц вблизи анода можно оценить по формулам:The times of incidence and particle velocities near the anode can be estimated by the formulas:
h=g*t/k+g*(e-k*t-1)/k2 h = g * t / k + g * (e -k * t -1) / k 2
ν=g*(1-e-k*t)/kν = g * (1-e -k * t ) / k
k=100*p/rk = 100 * p / r
где h - высота падения частиц (в данном случае 70 см), g - ускорение свободного падения (980 см/с), t - время падения (секунды), ν - скорость в конце падения (см/с), р - давление наполняющего газа (Торр), r - радиус частицы в микронах. Конкретные расчеты для некоторых размеров частиц оксида алюминия в случае заполнения вакуумной камерой неоном при давлении 1.5 Торр приведены в таблице.where h is the particle fall height (in this case 70 cm), g is the gravity acceleration (980 cm / s), t is the fall time (seconds), ν is the velocity at the end of the fall (cm / s), and p is the filling pressure gas (Torr), r is the particle radius in microns. Specific calculations for some particle sizes of aluminum oxide in the case of filling with a neon vacuum chamber at a pressure of 1.5 Torr are given in the table.
Поскольку длина треков на фигуре 2 зависит от скорости частицы и длительности экспозиции, видно, что скорость регистрируемых частиц действительно уменьшается со временем. Уже через 4 секунды после открытия источника длина треков короче области регистрации даже при экспозиции всего 10 мс. Скорость частиц и, соответственно, их размеры в дальнейшем продолжают уменьшаться с увеличением времени задержки.Since the length of the tracks in figure 2 depends on the speed of the particle and the duration of the exposure, it can be seen that the speed of the recorded particles really decreases with time. Only 4 seconds after the source is opened, the length of the tracks is shorter than the recording area, even with an exposure of only 10 ms. The particle velocity and, accordingly, their size continue to decrease with increasing delay time.
Предлагаемый способ нанесения нанопокрытий заключается в испарении и ионизации сформированной на вертикальной оси устройства мишени из мелкодисперсного порошка 7 под воздействием излучения сжимающейся токово-плазменной оболочки 5 и последующем дожатии вещества мишени до высоких плотностей и нагрева до высоких температур в результате пинчевания. Выполненные измерения электронной температуры плазмы оболочки дают значения 6-7 эВ при плотности плазмы более 1017 см-3. Оценки показывают, что данной температуры при разряде в неоне достаточно для полного испарения частиц оксида алюминия в несколько микрон еще на стадии радиального движения плазменной оболочки к оси. Дальнейшее испарение и ионизация вещества порошка происходит уже при непосредственном контакте с плазмой оболочки.The proposed method of applying nanocoatings consists in the evaporation and ionization of a target formed from a
На фигуре 3 приведена фотография пинча 6 в рентгеновском излучении, полученная с помощью камеры обскуры с диафрагмой 200 мкм, закрытой фильтром из Be толщиной 17 мкм. Эта фотография свидетельствует о сжатии пинча 6 до диаметра менее 1 см и нагреве до температуры в несколько сот электронвольт. После разрушения пинча напыляемое вещество разлетается с тепловыми скоростями и конденсируется на подложке. Высокая температура, достигаемая в пинче, обеспечивает большую скорость разлета, и соответственно, хорошую адгезию покрытия с подложкой. В частности, для иона алюминия при температуре плазмы всего 100 эВ тепловая скорость разлета составит более 3·104 м/с, что выше скоростей разлета паров материала анода в плазмофокусном разряде (≤104 м/с) и более чем на порядок превышает скорость, достигаемую, например, в плазмотронах. При температуре 1 кэВ эта скорость разлета может достигать ~105 м/с.The figure 3 shows a photograph of a
Для целей контрольных экспериментов был изготовлен держатель подложек 13 со сменными фольгами, на которые напылялся порошок мишени 7. Держатель вводился в разрядную камеру под углом 60° к оси системы на расстояние 130 мм от области пинчевания тока и ориентировался таким образом, чтобы подложка «ц» на торце держателя смотрела непосредственно на область пинча. Остальные подложки располагались перпендикулярно к торцевой подложке на боковой поверхности держателя.For the purposes of control experiments, a holder of
В первом контрольном эксперименте исследовалась структура подложки в разряде без порошка. Пример структуры на торцевой подложке «ц» показан на фигуре 4. Поверхность представляет собой ячеистую структуру с характерным размером ячеек ~100-200 мкм и монотонным изменением рельефа. На масштабах же нескольких десятков микрон рельеф был достаточно однородным.In the first control experiment, the structure of the substrate in the discharge without powder was studied. An example of the structure on the end substrate “c” is shown in Figure 4. The surface is a cellular structure with a characteristic mesh size of ~ 100-200 μm and a monotonic change in relief. On the scales of several tens of microns, the relief was quite homogeneous.
Проведено три группы экспериментов с порошком. В первой группе разряд включался одновременно с открытием затвора, когда поток частиц был максимальным. И, соответственно, удельный энерговклад на одну частицу минимальный. В таких разрядах на поверхности подложек были обнаружены частицы с размером ~200 нм с достаточно большой поверхностной плотностью 2-4 частицы/мкм2, а также круглые капли с гладкой поверхностью и размером 0.5-1 мкм (капли расплава).Three groups of experiments with powder were carried out. In the first group, the discharge was switched on simultaneously with the opening of the shutter when the particle flux was maximum. And, accordingly, the specific energy input per particle is minimal. In such discharges, particles with a size of ~ 200 nm with a sufficiently high surface density of 2-4 particles / μm 2 , as well as round droplets with a smooth surface and a size of 0.5-1 μm (melt drops) were found on the surface of the substrates.
Во второй группе экспериментов разряд включался через 1 с после открытия клапана (промежуточный уровень удельного энерговклада на частицу). Поверхность подложек покрыта полностью также 200-нм кластерами. При этом поверхностная плотность кластеров была гораздо выше - около 20 частиц/мкм2. Это соответствует почти полной упаковке поверхности кластерами. Также подложка была покрыта каплями расплава с гладкой поверхностью и средним размером ~1 мкм. Поверхностная плотность таких капель ~1 капля/5 мкм2.In the second group of experiments, the discharge was switched on 1 s after the valve was opened (intermediate level of specific energy input per particle). The surface of the substrates is completely covered with 200 nm clusters. Moreover, the surface density of the clusters was much higher - about 20 particles / μm 2 . This corresponds to an almost complete packing of the surface by clusters. The substrate was also coated with drops of melt with a smooth surface and an average size of ~ 1 μm. The surface density of such droplets is ~ 1 drop / 5 μm 2 .
В третьей группе (Эксперимент №3 см. фиг.5-11) разряд включался на 3 секунде после открытия клапана. Поток частиц наиболее однородный. Энерговклад на одну частицу максимальный в проведенной серии. Это увеличение удельного энерговклада привело к тому, что на размерах порядка десятков микрон морфология поверхности напыленной пленки коренным образом изменилась. На поверхности подложки «ц» образовались области (домены) с четко очерченными границами (фигура 5). Внутренность доменов разбита на ячейки с характерным размером 1-2 мкм (фигура 6). При этом на поверхности подложек не обнаружено капель с гладкой поверхностью, которые можно было идентифицировать как капли расплава. На краю доменов кластеры имели вид снежинок или фрактальных кластеров (фигуры 7, 8).In the third group (Experiment No. 3, see FIGS. 5-11), the discharge was turned on for 3 seconds after opening the valve. The flow of particles is the most uniform. The maximum energy input per particle is in the series performed. This increase in the specific energy input has led to a radical change in the surface morphology of the deposited film at sizes of the order of tens of microns. On the surface of the substrate “c”, regions (domains) with clearly defined boundaries were formed (Figure 5). The interior of the domains is divided into cells with a characteristic size of 1-2 microns (figure 6). In this case, drops with a smooth surface that could be identified as melt drops were not found on the surface of the substrates. At the edge of the domains, the clusters looked like snowflakes or fractal clusters (figures 7, 8).
Другим видом структур, которые обнаружились на поверхности подложки «ц» в эксперименте №3, явились домены из упорядоченных кластеров, ориентированных в определенном направлении (фигура 9). Как правило, они возникали внутри области с резко очерченными границами. Размер доменов составлял около 5 мкм. Внутри домена xарактерный шаг решетки составлял 0.5 мкм. Поверхностная плотность кластеров составляла 6 кластеров/мкм2.Another type of structures that were found on the surface of the substrate “c” in experiment No. 3 were domains of ordered clusters oriented in a certain direction (figure 9). As a rule, they arose within an area with sharply defined boundaries. The domain size was about 5 microns. Within the domain, the characteristic lattice spacing was 0.5 μm. The surface cluster density was 6 clusters / μm 2 .
Третьим типом структур, полученных в эксперименте №3, являются частицы круглой формы с диаметром около 1 мкм на поверхности боковых подложек, агломерированные из частиц меньшего размера ~200 нм (фигуры 10, 11). Поверхностная плотность таких частиц составляет ~1 частица/10 мкм2.The third type of structures obtained in experiment No. 3 are round particles with a diameter of about 1 μm on the surface of the side substrates, agglomerated from particles of a smaller size of ~ 200 nm (figures 10, 11). The surface density of such particles is ~ 1 particle / 10 μm 2 .
Таким образом, при инжекции порошка в разряд во всех экспериментах исходные частицы порошка мишени перерабатывалась в частицы с меньшим размером, т.е. в нано- и микрочастицы, из которых образовывались покрытия в виде пленки на подложках. В основном размер частиц составлял 200 нм, что может указывать на единый механизм образования таких частиц - например, из пересыщенного пара на поверхности подложки. В то же время показано, что, изменяя удельный энерговклад на частицу порошка, можно получать различные типы покрытий. Большая энергия частиц пересыщенного пара на поверхности подложки приводит к образованию дендритных структур на поверхности пленок. Такие структуры имеют очень развитую поверхность, что крайне важно для различных технологических применений. Учитывая, что в энергонапряженном плазменном фокусе нет ограничений на диспергирование порошка из любого материала, особенно важным может быть получение пористых покрытий из нанокластеров для целей катализа.Thus, in all experiments, when the powder was injected into the discharge, the initial particles of the target powder were processed into particles with a smaller size, i.e. in nano- and microparticles, from which coatings were formed in the form of a film on substrates. Basically, the particle size was 200 nm, which may indicate a single mechanism for the formation of such particles - for example, from supersaturated steam on the surface of the substrate. At the same time, it was shown that by varying the specific energy input per powder particle, various types of coatings can be obtained. The high energy of the particles of supersaturated vapor on the surface of the substrate leads to the formation of dendritic structures on the surface of the films. Such structures have a very developed surface, which is extremely important for various technological applications. Given that there is no restriction on the dispersion of a powder from any material in the energy-intense plasma focus, it may be especially important to obtain porous coatings from nanoclusters for catalysis.
В описанных выше экспериментах центральная анодная вставка была выполнена в виде углубления. При этом пары материала анода (медь в нашем случае) практически не попадали на подложку, и состав покрытия определялся только веществом распыляемого порошка. При необходимости нанесения покрытий более сложного элементного состава вставка с углублением должна быть заменена вставкой с плоской поверхностью. В этом случае вещество материала анода тоже будет участвовать в образовании пленки на поверхности подложки.In the experiments described above, the central anode insert was made in the form of a recess. In this case, the vapors of the anode material (copper in our case) practically did not fall on the substrate, and the coating composition was determined only by the substance of the sprayed powder. If it is necessary to coat more complex elemental composition, the insert with a recess should be replaced by an insert with a flat surface. In this case, the material of the anode material will also participate in the formation of a film on the surface of the substrate.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008113318/02A RU2371379C1 (en) | 2008-04-09 | 2008-04-09 | Plating method of nano-coating and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008113318/02A RU2371379C1 (en) | 2008-04-09 | 2008-04-09 | Plating method of nano-coating and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2371379C1 true RU2371379C1 (en) | 2009-10-27 |
Family
ID=41353089
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008113318/02A RU2371379C1 (en) | 2008-04-09 | 2008-04-09 | Plating method of nano-coating and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2371379C1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2462844C1 (en) * | 2011-03-04 | 2012-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Deceleration radiation source with small focal spot |
| RU2476620C1 (en) * | 2011-09-12 | 2013-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" | Device and method to produce nanoparticles |
| RU174967U1 (en) * | 2016-01-29 | 2017-11-13 | Общество с ограниченной ответственностью "Банк Стволовых Клеток" | INSTALLATION FOR COATING MATERIAL WITH A SOLUTION WITH NANOPARTICLES |
| RU2712681C1 (en) * | 2016-10-27 | 2020-01-30 | Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие "ЭФОМ" | Method of thin metal coatings application |
| RU2713052C2 (en) * | 2018-07-18 | 2020-02-03 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Method and composition for producing nanocoatings on steam generating surfaces in heat pipes |
| RU2761200C1 (en) * | 2020-12-28 | 2021-12-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Method for ordered deposition of nanostructured carbon thin films in a constant electric field |
| RU2772704C1 (en) * | 2021-09-09 | 2022-05-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" | Method for deposition of metal nanoparticles on the surface of ceramic carriers using a microwave discharge |
-
2008
- 2008-04-09 RU RU2008113318/02A patent/RU2371379C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| T.Zhang, K.S.Thomas Gan, P.Lee, R.V.Ramanujan and R.S.Rawat, Characteristics of FeCo nano-particles synthesized using plasma focus, J. Phys. D: Appl. Phys. 39, 2006, 2212-2219. * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2462844C1 (en) * | 2011-03-04 | 2012-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Deceleration radiation source with small focal spot |
| RU2476620C1 (en) * | 2011-09-12 | 2013-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" | Device and method to produce nanoparticles |
| RU174967U1 (en) * | 2016-01-29 | 2017-11-13 | Общество с ограниченной ответственностью "Банк Стволовых Клеток" | INSTALLATION FOR COATING MATERIAL WITH A SOLUTION WITH NANOPARTICLES |
| RU2712681C1 (en) * | 2016-10-27 | 2020-01-30 | Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие "ЭФОМ" | Method of thin metal coatings application |
| RU2713052C2 (en) * | 2018-07-18 | 2020-02-03 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Method and composition for producing nanocoatings on steam generating surfaces in heat pipes |
| RU2761200C1 (en) * | 2020-12-28 | 2021-12-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Method for ordered deposition of nanostructured carbon thin films in a constant electric field |
| RU2772704C1 (en) * | 2021-09-09 | 2022-05-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" | Method for deposition of metal nanoparticles on the surface of ceramic carriers using a microwave discharge |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2371379C1 (en) | Plating method of nano-coating and device for its implementation | |
| RU2242532C1 (en) | Method of production of nanoparticles | |
| Wegner et al. | Cluster beam deposition: a tool for nanoscale science and technology | |
| US9034438B2 (en) | Deposition method using an aerosol gas deposition for depositing particles on a substrate | |
| Karpov et al. | Method for producing nanomaterials in the plasma of a low-pressure pulsed arc discharge | |
| US7812542B2 (en) | Arrangement and method for the generation of extreme ultraviolet radiation by means of an electrically operated gas discharge | |
| JPS6254078A (en) | Apparatus for depositing membrane to substrate by cathodic sputtering treatment | |
| Coll et al. | Design of vacuum arc-based sources | |
| WO2018042684A1 (en) | Silver powder production method and silver powder production apparatus | |
| US8877297B2 (en) | Deposition method | |
| RU2380195C1 (en) | Method for production of metal or semiconductor nanoparticles deposited on carrier | |
| US11559839B2 (en) | Method and apparatus for producing nanoscale materials | |
| RU2455119C2 (en) | Method to produce nanoparticles | |
| JP2013049885A (en) | Method for forming carbon thin film | |
| JP6485628B2 (en) | Film forming method and film forming apparatus | |
| EP2481075A1 (en) | Production of nanoparticles | |
| KR101986306B1 (en) | Vacuum suspension plasma spray aparattus and vacuum suspension plasma spray method | |
| RU2477763C1 (en) | Method for obtaining polymer nanocomposite material | |
| Ramos et al. | High‐Flux DC Magnetron Sputtering | |
| RU2265076C1 (en) | Method of obtaining nanoparticles | |
| US20210316330A1 (en) | Deposition device | |
| JP2015013244A (en) | Deposition apparatus and deposition method | |
| JP7471176B2 (en) | Apparatus, method and system for coating a substrate, particularly a superconducting tape conductor, and coated superconducting tape conductor | |
| RU134931U1 (en) | DEVICE FOR SPRAYING FILMS ON SUBSTRATES | |
| KR101565527B1 (en) | A magnetic aerosol deposition apparatus |