Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и наука Российской Федерации

федеральное государственное автономного образовательного учреждения

высшего образования «Национальный исследовательский

Томский политехнический университет»

Институт : ФТИ

Кафедра: ХТРЭ

Направление: ХТРЭ

Реферат

на тему: «Технологии изготовления керамики на основе оксида бериллия»

Выполнил: студент 4курса гр.0411

Ниятов Ш,Е.

Научный руководитель: д.х.н.

профессор Крайденко Р.И.

Томск 2015

Содержание

Введение

1. Способ получения керамики из окиси бериллия

1.1 Способ получения керамики из окиси бериллия с добавкой

2. Способ получения электропроводной керамики

3. Способ очистки изделий из бериллиевой керамики от примеси углерода

Заключение

Список использованных источников

Введение

бериллий керамика окись

Окись бериллия обладает высокой точкой плавления, прочностью, твердостью большим электрическим сопротивлением, исключительной теплопроводностью при высоких температурах, близкой к теплопроводности стали, а также хорошей тепловой и химической стойкостью. Коэффициент теплового расширения окиси бериллия 9,3-КН (в интервале до 1400°). Она является прекрасным огнеупором, позволяющим в ряде случаев достигнуть единственно возможного решения некоторых задач, связанных с эксплуатацией изделий при высокой температуре.

Плотность окиси бериллия 3,02 г/сл³, точка ее плавления 2585°. Тигли, изготовленные из окиси бериллия, могут применяться как в атмосфере инертного газа, так и в вакууме при температуре около 2000°, устойчивы против термических ударов, обладают хорошей теплопроводностью, не загрязняют плавку и имеют длительный срок службы. Другие виды керамических изделий, как например детали электронных ламп, изоляторы «и т. п., изготовленные из этого материала, обладают хорошими качествами благодаря способности сохранять большое электрическое сопротивление в условиях их эксплуатации при высоких температурах.

Окись бериллия представляет особый интерес еще и как материал, пригодный для применения в атомных реакторах (благодаря малому коэффициенту поперечного захвата и большой способности к замедлению скорости нейтронов). Можно ожидать, что она будет играть видную роль в области получения атомной энергии, способствуя удовлетворению все растущего спроса на высокотемпературные материалы, обладающие хорошими ядерными характеристиками.

Окись бериллия применяется в атомном реакторостроении для той же цели, что и бериллий, а также в электротехнической промышленности-- для изготовления специальных сортов изоляторов и некоторых составов люминесцентных ламп. Кроме того, она применяется для изготовления огнеупорной керамики (труб, тиглей).

Чистая окись бериллия служит также основным сырьем для изготовления бериллия и меднобериллиевой лигатуры по технологии, принятой в США.

Другие соединения бериллия практически не имеют самостоятельного применения и используются только как промежуточные полуфабрикаты при получении бериллия, его окиси или сплавов. К числу таких соединений относятся, например, сульфат бериллия, фторобериллат натрия, фторобериллат аммония, фторид бериллия и некоторые другие бериллиевые соли; технология получения первых четырех соединений приведена ниже

1.Способ получения керамики из окиси бериллия

1. Способ получения керамики из окиси бериллия путем смешивания порошка окиси бериллия с добавкой окиси алюминия, формования заготовки и термообработки, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса спекания, снижения температуры спекания и обеспечения радиационной стойкости керамики при температурах 1200 - 1550^oC, заготовку облучают нейтронами при температуре 75 - 300^oC, а термообработку проводят в две стадии: первую стадию - при температуре 1250 - 1350^oC в течение 3 - 10 ч, вторую - при температуре 1400 - 1600^oC в течение 1 - 10 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовки облучают быстрыми нейтронами (с энергией Е 0,8 МэВ) интегральным потоком в пределах (5 - 10) 10²⁰ нейтрон/см².

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавку окиси алюминия вводят в количестве 0,1 - 5 мас.%.

1.1 Способ получения керамики из окиси бериллия с добавкой

Способ получения керамики из окиси бериллия путем смешивания порошка окиси бериллия с добавкой, формования заготовок, облучения их нейтронами при температуре 300^oC с последующей термообработкой, отличающийся тем, что, с целью повышения радиационной стойкости в пределах температуры 700 - 1100^oC, перед смешиванием порошок окиси бериллия спекают, облучают нейтронами при температуре 100 - 500^oC и размалывают, формование и спекание заготовки проводят методом взрыва, а термообработку осуществляют в вакууме при температуре 700 - 1100^oC в течение 1 - 1,5 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спеченный порошок окиси бериллия облучают нейтронами с энергией Е 0,8 МэВ интегральным потоком (1 - 50) 10²⁰нейтрон/см².

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошок окиси бериллия смешивают с добавкой нитрида алюминия или хризоберилла со средним размером частиц 0,1 - 1 мкм в количестве 1 - 15 мас.%.

2. Способ получения электропроводной керамики на основе оксида бериллия

Изобретение относится к способу получения керамики на основе оксида бериллия с добавлением примесей, влияющих на свойства получаемой керамики, и может быть использовано в различных электрохимических устройствах в качестве детекторов ионизирующего излучения, а также в радиотехнических устройствах сверхвысокочастотного диапазона, где требуется поглощающая СВЧ-излучение керамика, обладающая высокой теплопроводностью и определенными значениями электропроводности.

Предлагается способ получения электропроводной керамики на основе оксида бериллия при содержании 5-35 мас.% оксида титана, включающий получение смеси исходных оксидов, формование изделий с использованием органической связки и ее выжигом, последующее спекание, в котором спекание ведут в атмосфере монооксида углерода при остаточном давлении 1·10^-2-5·10^-2 мм рт.ст. и температуре около 1500°С. Полученные изделия обладают полупроводниковыми свойствами с электронным типом проводимости и имеют электропроводность 8·10^-13-4·10^-1 Ом^-1см^-1. Способ обеспечивает расширение интервала изменения электропроводности получаемого материала с сохранением высокого уровня значений рабочих характеристик, а также обеспечивает безопасность процесса.

Изобретение относится к способу получения керамики на основе оксида бериллия с добавлением примесей, влияющих на свойства получаемой керамики, и может быть использовано в различных электрохимических устройствах (где требуется высокотемпературная электропроводящая керамика), дозиметрии ионизирующего излучения (в качестве детекторов), а также в радиотехнических устройствах сверхвысокочастотного диапазона, где требуется поглощающая СВЧ-излучение керамика, обладающая высокой теплопроводностью и определенными значениями электропроводности.

Известен способ получения керамики системы ВеО-TiO₂ в соотношениях 1:1,2:1,3:1 с использованием в качестве исходных материалов диоксида титана в виде анатаза и рутила и оксида бериллия или гидроксида титана и гидроксида бериллия. Исходные материалы пропускались через сито, смеси перетирались в агатовой ступке сначала в полужидком состоянии (смоченные водой), а затем в высушенном состоянии и прессовались под давлением 7000 Н/см². Обжиг образцов проводили в интервале температур 1400-1750°С (Э.К.Келлер, Е.Н.Исупова "Исследования твердых фаз в системе ВеО-TiO₂", журнал "Неорганическая химия", том V, вып.2, 1960 г., с.433-436).

Недостатками известного способа является низкая электропроводность смеси, которая при комнатной температуре не превышает 1·10^-14-1·10^-13 Ом^-1·см^-1.

Известен способ получения керамики на основе оксида бериллия с добавлением диоксида титана, в котором в качестве исходных материалов используют оксид бериллия и диоксид титана. Способ осуществляют путем полусухого прессования исходных оксидов с органической связкой с последующим ее выжигом, спекания в вакууме при температурах 1560°С и дополнительного обжига в атмосфере водорода при температуре 1030°С (B.C.Кийко, С.Н.Шабунин, Ю.Н.Макурин "Получение, физико-химические свойства и пропускание СВЧ-излучения керамикой на основе ВеО", Огнеупоры и техническая керамика, №10, 2004 г., с.8-17).

Керамика, полученная известным способом (в зависимости от количества введенного TiO₂), обладает достаточно высокой теплопроводностью, изменяющейся в пределах 200-60 Вт/м·К наряду с хорошей электропроводностью, изменяющейся в пределах 8·10^-10-4·10^-2 Ом^-1·см^-1.

Однако недостатками способа являются недостаточно широкий интервал изменения электропроводности получаемого материала, что ограничивает области его применения, а также повышенные требования по безопасности процесса, поскольку в качестве восстановительной атмосферы используют взрывоопасный газ - водород.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения керамики на основе оксида бериллия, обеспечивающий возможность расширения интервала изменения электропроводности получаемого материала с сохранением высокого уровня значений рабочих характеристик, а также безопасность процесса.

Поставленная задача решена в способе получения электропроводной керамики на основе оксида бериллия, включающем получение смеси исходных оксидов, формование с использованием органической связки с ее выжигом и последующее спекание, в котором спекание ведут в атмосфере монооксида углерода при остаточном давлении 1·10^-2·5·10^-2 мм рт.ст. и температуре не более 1500°С.

В настоящее время не известен способ получения электропроводной керамики на основе оксида бериллия, в котором спекание ведут в атмосфере монооксида углерода в заявленном интервале значения параметров.

В известном способе значения электропроводности в интервале 8·10^-10-4·10^-2 Ом^-1·см^-1 достигаются при условии проведения дополнительного обжига в атмосфере водорода при температуре 1030°С, который осуществляют после спекания в вакууме при температурах 1560°С. Как показали исследования, проведенные авторами, использование при спекании восстановительной атмосферы монооксида углерода СО обеспечивает получение более широкого интервала значений электропроводности, при этом сохраняя значения как электропроводности, так и теплопроводности на высоком уровне. Кроме того, не только улучшаются условия труда за счет повышения безопасности процесса, который осуществляют в отсутствие взрывоопасной атмосферы водорода, но и упрощается процесс получения керамики, поскольку проведение спекания в атмосфере монооксида углерода позволяет исключить операцию дополнительного отжига. Необходимо отметить, что технический результат достигается только при соблюдении всей совокупности предлагаемых авторами условий, которыми наряду с использованием определенной восстановительной атмосферы являются определенные интервалы остаточного давления СО и температура. При повышении температуры спекания выше 1500°С снижается степень восстановления керамики за счет образования в ее составе некоторого количества примеси - карбида титана, что отрицательно сказывается на значениях электропроводности. При остаточном давлении выше, чем 1·10^-2 мм рт.ст., или ниже, чем 5·10^-2 мм рт.ст., также наблюдается снижение степени восстановления керамики.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

Исходными материалами для получения бериллиевой керамики состава BeO+TiO₂ служат: оксид бериллия квалификации х.ч. и диоксид титана о.с.ч. Порошок TiO₂ предварительно термообрабатывают при температуре 1000°С для полного перехода анатазной модификации в форму рутила. Порошок ВеО прокаливают при 1200°С для придания ему стабильных физико-химических свойств. Для получения керамики используют метод шликерного литья с использованием органической связки. Шихту состава BeO+TiO₂ готовят в вибромельнице. Связку на органической основе готовят следующего состава: 82 мас.% парафина, 15 мас.% пчелиного воска и 3 мас.% олеиновой кислоты. Количество органической связки при этом изменяют в диапазоне 9,5-10 мас.%. Сформованные изделия поступают на выжиг органической связки, который осуществляют при температуре 1100°С. Затем спекание изделий производят в атмосфере СО в тиглях из графита и в графитовой засыпке при температуре не более 1500°С при остаточном давлении 1·10^-2ч5·10^-2 мм рт.ст. со скоростью нагрева 200-250 градусов в час и выдержке при максимальной температуре (в зависимости от количества введенного TiO₂) в течение 0,5ч1,0 час. Получают плотную проводящую керамику с водопоглощением не более 0,3%. Механическая прочность полученных изделий изменяется в пределах 180,5ч301,8 МПа. Электропроводность полученной керамики изменяется в пределах 8·10^-13ч4·10^-1 Ом^-1·см^-1.

Физико-химические свойства полученной керамики:

- керамика имеет кажущую плотность, изменяющуюся в пределах от 2,89 до 3,35 г/см³;

- обладает полупроводниковыми свойствами с электронным типом проводимости, может изменять электропроводность в широком диапазоне (8·10^-13-4·10^-1 Ом^-1·см^-1),

- теплопроводность при 30°С изменяется в диапазоне 200ч60 Вт/м·К.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Готовят смесь 98,4 г (95 мас.%) оксида бериллия квалификации х.ч. и 1,6 г (5 мас.%) диоксида титана о.с.ч. Порошок TiO₂ предварительно термообрабатывают при температуре 1000°С в течение 3 ч. Порошок ВеО прокаливают при 1200°С в течение 1 ч. Исходную шихту обрабатывают в вибромельнице в течение 4 ч. Изделия формуют методом шликерного литья с добавлением органической связки в количестве 9,5 мас.% от общей массы порошка. Сформованные изделия поступают на выжиг органической связки, который осуществляют при температуре 1100°С в течение 4-х часов. Спекание изделий производят в графитовых тиглях, в графитовой засыпке в атмосфере СО при температуре 1500°С при остаточном давлении 1·10^-2 мм рт.ст. со скоростью нагрева 200°С в час и выдержке при 1500°С в течение 1,0 ч. Электропроводность полученной керамики составляет 8·10^-13 Ом^-1·см^-1.

Пример 2. Готовят смесь 85,6 г (65 мас.%) оксида бериллия квалификации х.ч. и 14,4 г (35 мас.%) диоксида титана о.с.ч. Порошок TiO₂ предварительно термообрабатывают при температуре 1000°С в течение 3 ч. Порошок ВеО прокаливают при 1200°С в течение 1 ч. Исходную шихту обрабатывают в вибромельнице в течение 4 ч. Изделия формуют методом шликерного литья с добавлением органической связки в количестве 10 мас.% от общей массы порошка. Сформованные изделия поступают на выжиг органической связки, который осуществляют при температуре 1100°С в течение 4 часов. Спекание изделий производят в графитовых тиглях, в графитовой засыпке в атмосфере СО при температуре 1500°С при остаточном давлении 5·10^-2 мм рт. ст. со скоростью нагрева 200°С в час и выдержке при 1500°С в течение 1,0 ч. Электропроводность полученной керамики составляет 4·10^-1 Ом^-1·см^-1.

Таким образом, авторами предлагается способ получения электропроводной керамики на основе оксида бериллия, который обеспечивает расширение интервала изменения электропроводности получаемого материала с сохранением высокого уровня значений рабочих характеристик, а также обеспечивает безопасность процесса.

Формула изобретения

Способ получения электропроводной керамики на основе оксида бериллия, включающий получение шихты исходных оксидов при содержании 5-35 мас.% оксида титана и оксид бериллия остальное, формование изделий с использованием органической связки и ее выжигом, спекание изделий в тиглях из графита в графитовой засыпке в атмосфере монооксида углерода при остаточном давлении 1·10^-2-5·10^-2 мм рт.ст. при температуре около 1500°С, причем полученные изделия обладают полупроводниковыми свойствами с электронным типом проводимости и имеют электропроводность 8·10^-13-4·10^-1 Ом^-1·см^-1.

3. Способ очистки изделий из бериллиевой керамики от примеси углерода

Изобретение относится к способам очистки керамических изделий от примесей, в частности к способу очистки поверхности и объема изделий из керамики ВеО от примеси углерода, в том числе подложек для микросхем и мощных резисторов, транзисторов, окон для СВЧ-радаров, каналов газоразрядных лазеров, поверхности и объема вакуумно-плотных изоляторов, применяемых в камерах с магнитным обжатием-МАГО, для получения высокотемпературной замагниченной водородной плазмы. Способ очистки изделий из керамики ВеО от примеси углерода заключается в бомбардировке поверхности положительно заряженными ионами инертного газа, отличающийся тем, что облучение ионами проводят при щадящих режимах: U=0,5ч2,0 кВ, I=5,0ч40,0 мкА, ф=10ч20 мин. После этой обработки изделие нагревают в вакууме 10^-7-10^-9 Па до температуры 450ч500°С, выдерживают в течение 15ч20 мин и затем обрабатывают поверхность высокочастотной водородной плазмой при следующих режимах: давление плазмы не более 10^-5 Па, ток разряда не более I=10,0 мкА, энергия атомов водорода 5,0ч10,0 эВ. Техническим результатом является создание надежной технологии очистки поверхности и объема изделий от углерода без значительного разрушения структуры их поверхности; сокращение времени очистки объема изделий от примеси углерода, а также уменьшение время облучения ионами, а следовательно, и загрязнение, разрушение и распыление материала керамики ВеО, сохранение механической прочности электросопротивления и вакуумной плотности керамических изделий.

1 изобретение относится к способам очистки керамических изделий от примесей, в частности к способу очистки поверхности и объема изделий из керамики ВеО от примеси углерода, в том числе подложек для микросхем и мощных резисторов, транзисторов, окон для СВЧ-радаров, каналов газоразрядных лазеров, поверхности и объема вакуумно-плотных изоляторов, применяемых в камерах с магнитным обжатием (МАГО/MTF. МАГО - аббревиатура от русского МАГнитное Обжатие, MTF - аббревиатура от английского Magnetized Target Fusion.), для получения высокотемпературной замагниченной водородной плазмы.

ВеО-керамика в настоящее время широко применяется в электронной промышленности для диссипации тепла, выделяемого при работе радиоэлементов функциональной электроники [1] (Получение и применение прозрачной бериллиевой керамики. Кийко B.C., Дмитриев И.А., Макурин Ю.Н., Софронов А.А., Ивановский А.Л. // Физика и химия стекла. 2004. Т.30. №1. С.149-151). Высокая теплопроводность, малая величина диэлектрических потерь, высокая электрическая (пробивная) прочность, высокая стабильность электрофизических свойств позволяют использовать ВеО-керамику в высокочастотных электронных схемах. Наряду с уникальной теплопроводностью (220-280 Вт/мК) ВеО-керамика обладает высоким электрическим сопротивлением. Удельное объемное электрическое сопротивление керамики при Т=300 К находится около 8.0·10¹⁵-1,0·10¹⁶ Ом·см. Это позволяет использовать ее в мощных и высоконадежных резисторах, транзисторах и микросхемах в качестве изоляторов-теплоотводов, идеальных подложек резисторов, кристаллодержателей мощных транзисторов и микросхем, в электронной, радио- и электротехнической промышленности. Керамика ВеО является радиопрозрачным материалом и широко применяется в источниках СВЧ-излучения, в качестве изоляторов и для окон радаров.

ВеО-керамика характеризуется высокой химической стойкостью, что делает его ценным высокотемпературным материалом, а также химически стойким материалом тигля для плавки химически агрессивных сред в печах с СВЧ-нагревом.

Высокая вакуумная плотность ВеО-керамики позволяет ее использование в вакуумных приборах и газовых лазерах для полых диэлектрических волноводов в волноводных газовых лазерах среднего ИК-диапазона (на СО₂), в ионных лазерах на Ar, Kr в качестве диэлектрических трубок-резонаторов.

В большинстве случаев для применения керамики ВеО в различных приборах и электронных устройствах требуется получение поверхности и объема керамики, очищенной от примесей углерода.

Концентрация примесей углерода, располагающихся на внешней поверхности ВеО-керамики и изделий из нее, на уровне нескольких монослоев может значительно отличаться от содержания примесей в объеме материала. Примеси углерода на поверхности и в объеме керамики могут оказывать значительное влияние на ее каталитические, оптические, электрические, адсорбционные и эмиссионные свойства.

Керамика ВеО обладает высокой радиационной стойкостью и может применяться в качестве высоковольтного изолятора в камерах МАГО.

Одним из этапов исследований и разработок в этом направлении является магнитогазодинамический метод (МАГО/MTF) получения и удержания высокотемпературной дейтерий-тритиевой (ДТ) плазмы в небольшой по размерам камере. [2, 3]. (2. Исследование возможности получения термоядерной замагниченной плазмы в системе с магнитным обжатием - МАГО ) Буйко А.М., Волков Г.И., Гаранин С.Ф. и др. // Третьи Забабахинские чтения. Январь 1992. Кыштым. Россия. 3. Target plasma formation for Magnetic Compression/Magnetized Target Fusion (MAGO/MTF) / Lidemuth I.R., Reinovsky R.E, Chrien R.E. // Phys. Rev. Lett. 1995. V.75. №10. Р.1953).

Характерные времена термоядерного синтеза единицы и десятки микросекунд.

Магнитогазодинамический синтез основан на двух основных положениях. Первое - использование сверхсильных магнитных полей для предварительного разогрева ДТ-плазмы (до температуры в сотни электрон-вольт), обеспечения необходимой термоизоляции горючего и удержания заряженных ядерных продуктов реакции в объеме камеры. Второе - использование последующего сжатия объема ДТ-плазмы с преварительно нагретым газом. Для осуществления второго этапа работ необходимо иметь горячую плазму, которая живет по крайней мере дольше, чем время, необходимое на ее дожатие. Одним из серьезных факторов, который может повлиять на время жизни и достигаемую плазмой температуру при ее дожатии, является появление в ДТ-плазме различных примесей веществ, которые могут появляться от высоковольтного керамического изолятора на входе в камеру МАГО и от ее стенок. По имеющимся в настоящее время расчетно-теоретическим и экспериментальным данным опасность остывания замагниченной высокотемпературной плазмы в камере МАГО за более короткие времена, чем время на ее дожатие, связана только с возможностью появления примесей в ДТ-плазме.

Одним из основных механизмов попадания примесей в ДТ-плазму в камере МАГО является поверхностный пробой исходного керамического изолятора, через который в камеру подается рабочий сильноточный импульс высокого напряжения (до 10⁷ч10⁸ В), и его испарение.

По имеющейся приближенной теории плотность испарившейся изоляторной плазмы, а также наличие таких примесей, как углерод (эффективно рассеивающий нейтроны, появляющиеся в результате термоядерной реакции) в развитом ее режиме может быть много больше плотности ДТ-плазмы, а перемешивание плазмы с парами примесей углерода и изолятора может приводить к очень коротким временам остывания плазмы и к сокращению времени ее жизни до 3 мкс [4]. (4. Гаранин С.Ф., Павловский B.C., Якубов В.Б. Стационарный разряд при выходе магнитного потока через поверхность изолятора // ПМТФ. 1984. №2. С.9-15).

Наиболее реальным шагом в этом направлении является использование в практике экспериментов класса МАГО рабочих изоляторов из оксида бериллия вместо ранее применяемых алюмооксидных изоляторов. Однако в объеме изоляторов из ВеО и особенно на их поверхности содержится некоторое количество примеси углерода, наличие которого в процессе генерации высокотемпературной долгоживущей плазмы может привести к негативным результатам, так как в этом случае в первую очередь начинается интенсивное испарение примеси углерода с поверхности и объема изоляторов, в результате чего могут значительно изменяться физико-химические свойства ДТ-плазмы.

В процессе спекания изделий из керамики ВеО в форвакууме при температурах 1950-1970°С в печах с углеродными нагревателями или в углеродной засыпке (для уменьшения роста зерна при спекании керамики при высоких температурах) происходит науглероживание керамических изделий. При этом углерод внедряется в поверхностную область изделия и образует углеродные пленки. Углерод также проникает и в объем изделий. Примеси изменяют физико-химические и электрические свойства поверхности изделий, препятствуют металлизации, получению вакуумно-плотных спаев металла с керамикой, снижают электросопротивление, изменяют параметры водородной плазмы, что существенно снижает надежность изделий из керамики ВеО и в результате ограничивает ее применение в электронной и атомной технике в качестве высоковольтных изоляторов в камере МАГО. Как показали проведенные исследования, под действием различных факторов углерод из приповерхностной зоны может диффундировать на поверхность изделий, снижая их поверхностное электросопротивление, электрическую (пробивную) прочность и надежность.

Известен способ очистки поверхности полупроводников от примесей углерода, основанный на обработке поверхности высокочастотной водородной плазмой [5]. (5. Chang W. Tu. R.P.H., Shlier A.R. Summary Abstract: Surface-etching kinetics of hydrogen plasma on III-V compound semiconductors // J.Vac.Sci.Technol. 1983. A 1(2). P.637-638).

Применение способа [5] ограничивается тем, что он не способен очистить объем керамических изделий.

Известен также способ очистки поверхности керамических изделий от примеси углерода, основанный на бомбардировке их в вакууме тяжелыми положительно заряженными ионами инертного газа, например: Ar⁺ и др. [6]. (6. Миначев Х.М., Антошин Г.В., Шпиро Е.С.Фотоэлектронная спектроскопия и ее применение в катализе. М.: Наука. 1981. 216 с.)

Недостатком указанного способа [6] являются разрушение поверхности изделий, приводящее к ее аморфизации, распылению керамического материала, созданию на ней дефектов, внедрению ионов инертных газов в поверхностный слой образцов и сравнительно большое время, необходимое для очистки объема изделия.

Наиболее близким по технической сущности является способ очистки керамических изделий из ВеО, основанный на бомбардировке поверхности образцов положительно заряженными ионами инертного газа (например, бомбардировкой ионами Ar⁺), который и выбран в качестве прототипа [6].

Задача предлагаемого технического решения заключается в очистке поверхности и объема изделий из керамики ВеО, применяемых в электронной, лазерной и ядерной технике от примесей углерода с минимальным физическим воздействием на них, при котором практически не происходит разрушение поверхности изделий.

Поставленная задача решается тем, что после предварительной бомбардировки поверхности изделий положительно заряженными ионами инертного газа при щадящих режимах (не приводящих к значительному разрушению поверхности, например: U=0,5ч2,0 кВ, I=5,0ч10,0 мкА, ф=10-20 мин) их нагревают в вакууме 10^-7ч10^-9 Па до температуры 450-500°С, далее выдерживают в течение 15-20 мин, а затем обрабатывают высокочастотной водородной плазмой.

Суть способа очистки поверхности керамического изделия из ВеО-керамики заключается в следующем. Известно, что в соединениях типа А²B⁶, к которым относится и оксид бериллия, наблюдается радиационно-стимулированная диффузия атомов [7]. (7. Канеев М.А. Экспериментальное определение коэффициента радиационно-стимулированной диффузии в CdS // ФТТ.1968. Т.10. №3. С.922-923).

С привлечением рентгеноэлектронной спектроскопии по площади пика электронного уровня С1s (в вакууме 10^-7ч10^-9 Па) обнаружена активная диффузия углерода из объема на облучаемую поверхность образцов керамики ВеО после ее бомбардировки положительно заряженными ионами инертного газа (например, ионами Ar⁺ и Kr⁺ при следующих режимах: U=0,5ч2,0 кВ, I=5,0ч40,0 мкА, ф=10-20 мин). При этом с поверхности вначале исчезает значительная часть углеродных загрязнений в результате ее химического травления. На фиг.1, кр.1-3 приведены кинетические кривые диффузии углерода (изменения концентрации углерода С_отн.ед.) из объема на поверхность керамики из ВеО, определенные по площади пика электронного уровня С1s, после бомбардировки ее ионами инертного газа. Как установлено в процессе экспериментов, тип инертного газа (ионы Ar⁺, Kr⁺ и др.) слабо влиял на характер процесса.

Положительно заряженные ионы инертного газа отдают свой заряд облучаемой поверхности керамического образца. После прекращения бомбардировки под влиянием электростатического поля при 300°С в течение длительного времени (до 60 мин и более) наблюдается диффузия углерода из объема керамического изделия на его поверхность (фиг.1,. кр.1). Экспериментами установлено, что скорость диффузии углерода сильно зависит от температуры керамических образцов, поэтому после бомбардировки (в камере подготовки спектрометра) поверхности ионами инертного газа образцы переносили в камеру анализатора спектрометра и производили их нагревание до температуры 450-500°С в условиях вакуума 10^-7-10^-9 Па и выдержку в течение 15-20 минут (фиг.1, кр.2). В процессе выдержки нагретого изделия в вакууме наблюдается интенсивная радиационно-стимулированная диффузия примеси углерода из объема на заряженную положительным потенциалом поверхность керамического изделия. Как следует из фиг.1, кр.2, значительная скорость диффузии наблюдается в течение первых 20-25 мин, далее она значительно уменьшалась.

По окончании выдержки примесь углерода удаляли путем обработки поверхности высокочастотной водородной плазмой (со следующими режимами: давление плазмы не более 10^-5 Па, ток разряда не более 10,0 мкА, энергия атомов водорода 5-8,0 эВ) [5]. Как следует из фиг.1, кр.3, после проведенных операций дальнейшая бомбардировка керамики ВеО положительно заряженными ионами инертного газа (в течение 20-30 мин) уже не сопровождается большой скоростью диффузии углерода на ее поверхность.

Многократное повторение описанных действий позволяет достичь высокой степени очистки поверхности и объема изделий из керамики ВеО от примеси углерода.

Использование предложенного (радиационно-стимулированного) способа очистки поверхности и объема изделий из керамики ВеО от углеродных примесей позволяет:

1. Создать надежную технологию очистки поверхности и объема изделий без значительного разрушения структуры их поверхности.

2. Сократить время очистки объема изделий от примеси углерода (после бомбардировки положительно заряженными ионами инертного газа, за счет значительного увеличения скорости диффузии углерода при нагревании изделий до 450-500°С в условиях вакуума 10^-7-10^-9 Па), а также уменьшить время облучения ионами, а следовательно, и загрязнение, разрушение и распыление материала керамики ВеО.

3. Сохранить механическую прочность, электросопротивление и вакуумную плотность керамических изделий.

Способ очистки изделий из керамики ВеО от примеси углерода, заключающийся в бомбардировке поверхности положительно заряженными ионами инертного газа, отличающийся тем, что бомбардировку положительно заряженными ионами инертного газа проводят при напряжениях U=0,5ч2,0 кВ, токе I=5,0ч40,0 мкА, времени ф=5ч20 мин, после этой обработки изделие нагревают в вакууме 10^-7ч10^-9 Па до температуры 450ч500°С, выдерживают в течение 15ч20 мин и затем обрабатывают поверхность высокочастотной водородной плазмой при давлении плазмы не более 10^-5 Па, токе разряда не более I=10,0 мкА, энергии атомов водорода 5,0ч8,0 эВ.

Заключение

В заключение отметим, что конечные продукты полученные разными методами обладают различными свойствами и областями применения. Очистка изделий из бериллиевой керамики от примеси углерода экономичен и экспресен.

Список использованных источников

1. Беляев А.И. Грейвер Н.С. «Основы металлургии» Москва 1963г. с 413,417-418

Электронные ресурсы:

2. http://www.findpatent.ru/patent/68/681720.html

3. http://www.findpatent.ru/patent/67/675744.html

4. http://www.findpatent.ru/patent/225/2258331.html

Размещено на Allbest.ru