Технологічні основи керування якістю поверхневого шару оптичних матеріалів при електронно-променевій мікрообробці

1. Для оптичного і технічного скла електронно-променевою мікрообробкою досігнуто якісно нових властивостей поверхневого шару: монолітної бездефектної структури на глибину до 160 мкм, зменшення концентрації слабко-зв'язаних йонів-модифікаторів калію у 1,46, натрію у 1,18, кисню у 1,65, барію у 1,09 разів, рафінування на глибину до 10 мкм від поверхнево активних речовин, гомогенізації за хімічним складом, зменшення поверхневого нанорельєфу до 2, 3...3,5 нм, окварцування поверхні на глибину до 150 А. Модифікований поверхневий шар володіє покращеними оптичними, механічними властивостями, підвищеною стійкістю до атмосферного впливу, вологи, морської води впливу, що відповідає вимогам з розробки та експлуатації оптичних елементів нового покоління - інтегральної оптики, мікрооптики та мікроелектроніки, і чого, на теперішній час, неможливо досягти для скла існуючими промисловими методами обробки - механічним, хімічним, хіміко-механічним та полум'яним поліруванням.

2. Визначено вхідні параметри мікрообробки, до яких належать: технологічний вакуум, теплопровідність та електропровідність матеріалу та його залежність від температури попереднього розігріву та дії електронного потоку, потужность, питома потужность, форма та напрямок дії електронного потоку, швидкость переміщення потоку, час відпалювання та швидкость охолодження виробу, керування якими забезпечується якісно нові властивості поверхневого шару. Визначено дві стадії електронного впливу на матеріал та технологічні межі за якими доведена ефективність електронно-променевої мікрообробки: перша стадія - Рпит = 0,5?101...5?101 Вт/см2; Vпот = 4,5...8,6 см/с (без утворення рідкої фази) та друга стадія - Рпит = 102...5?103 Вт/см2; Vпот = 0,5...5,5 см/с ( з утворенням рідкої фази).

3. Експериментально встановлено діапазон температур попереднього нагріву Т0 для стекол різної марки, вплив Т0 на якість поверхневого шару стекол силікатної групи К8, К108, К208, БК10, ТК21, фотопластин, пластин фотошаблонів та на ширину електронної стрічки. Т0 при мікрообробці вибирається на 30 К нижче від температури відпалювання. Для діапазона її використання 840…920К збільшення Т0 на 10 К призводить до деформації і руйнування поверхневого шару, а зменшення Т0 на 10 К призводить до збільшення ширини електронної стрічки на поверхні у 1,08 разів і не впливає на якість мікрообробки.

4. Визначено, що рафінування та перебудова структури поверхневого шару силікатног скла від порушеної до монолітної електронним потоком на границі рідке скло-вакуум відбувається із зменшенням в'язкості поверхневого шару до рідинного стану (101...101,5 Па с), збільшенням леткості матеріалу розплаву (149,4 ... 320,2 мг/ см2 год) та десорбцією слабкозв'язаних елементів і сполук у вакуум. Підвищена леткість матеріалу розплаву ПШ призводить зменшення рівня вихідної поверхні до 80 мкм.

5. Експериментально встановлено, що модифікований електронним потоком поверхневий шар володіє покращеними функціональними і експлуатаційними властивостями: мікротвердість збільшена у 1,2...1,5 рази, зменшене світлорозсіяння у 1,5...2,5 рази, підвищується розчинність у розчинах НF у 1,5...2 рази буферними властивостями до йонів Ag+ при низькотемпературному йонному обміні, підвищеною стійкістю до впливу морської води і туману у 1,5…2 рази при цьому площинність не змінюється і має значення N = 2 -3; N = 0,3 - 0,5 кілець Ньютона.

6. Розроблені математичні моделі, які враховують температурні залежності леткості матеріалу розплаву та дифузійних процесів і дозволяють більш точно (відносну похибку знижено до 5...8% замість 10...12% у існуючих моделей) прогнозувати розподілення температури в оптичних матеріалах при впливі стрічкових електронних потоків, умови розчинення дефектного і тріщинуватого шарів у розплаві, а також допустимі діапазони використання керуємих параметрів електронного потоку, які не призводять до погіршення якісних параметрів поверхневого шару, аж до руйнування матеріалу.

7. Запропоновано нову концепцію щодо електронно-променевої мікрообробки неметалевих матеріалів, яка полягає в тому, що, використовуючи металеві покриття, як маскуючі елементи та електричні і теплові стоки, керуючи леткістю матеріалу з поверхні розплаву, глибиною проплавлення, швидкістю розчинення у розчинах НF забезпечується формоутворення оптичних мікроелементів з розмірами 10...500 мкм за груповою технологією на єдиній основі - платі із щільністю 500 ел/мм2.

8. На базі сформульованих теоретичних положень розроблених моделях, отриманих залежностей, підтверджених експериментальними дослідженнями, вперше розроблено наукову методологію реалізації процесів поверхневої електронно-променевої мікрообробки оптичних матеріалів та технологічні основи керування якістю поверхневого шару оптичних матеріалів, які забезпечують відтворюваність результатів обробки, отримання гарантованого підвищення якості поверхневого шару, продуктивності та експлуатаційної надійності оптичних мікроелементів.

9. Викладені технічні рішення та технологічні прийоми представляють технологічну інновацію: вони дали можливість спроектувати і виготовити високоефективне, екологічно чисте технологічне електронно-променеве обладнання, аналогів якому немає в Україні та країнах СНД, розробити нові технологічні операції, чим розширено їх кількість від однієї (полірування поверхні) до десяти (рафінування, усунення дефектного та тріщинуватих шарів, зменшення шорсткості поверхні, створення блокуючи шарів для йонного обміну, рельєфоутворення, обробка плівкових металевих елементів, окварцування поверхні, створення поверхневих шарів із змінним показником заломлення, відшарування ювенільних поверхонь), які забезпечили мікрообробку оптичних матеріалів стрічковим електронним потоком на якісно новому технологічному рівні, підвищили якість і продуктивність виготовлення оптичних мікроелементів.

10. Випробування і дослідження експлуатаційних властивостей модифікованих поверхневих шарів, які проведено у ЦКБ «Арсенал» (м. Київ), представництві фірми «Карл Цейс» в Україні (м.Київ), підприємстві «Радон» (м. Москва), институте тепло-и массопереноса им. А.В. Лыкова НАН Беларуси (м. Мінськ), ОДО «Микротестмашины» (м.Гомель, Білорусь), заводі «Фотоприлад» (м.Черкаси), ЧМПП «Фотоніка Плюс» (м. Черкаси), заводі «Хімреактив» (м.Черкаси), ДП «Чернігівський регіональний науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації» (м.Чернігів) та в інших організаціях і підприємствах дозволили розробити оптимальні технологічні схеми і режими обробки оптичного і технічного скла, елементів інтегральної оптики і мікрооптики різного функціонального призначення: підложок оптичних інтегральних схем, мікролінз, дзеркально-відбиваючих, дифузно-розсіюючих та заломлюючих структур, сферичних, ортогональних і лінійчатих растрів, що використані у якості тест-структур, у інтегрально-оптичних схемах, індикаторних трубок, медичних приладах тощо. За розрахунками, на період 2008 - 2009 років, прогнозований чистий прибуток для промисловості України за п'ять років після впровадження розробленої технопогії становить 38 720 300 грн.

Література

1. Дубровська Г.М. Методи вимірювання та оцінок адгезійної міцності покриттів / Г.М. Дубровська, Г.В. Канашевич, С.В. Поздєєв // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. - 1998. - № 1. - С. 53-56.

2. Канашевич Г.В. Технологічні можливості електронно-променевої обробки оптичного скла / Г.В. Канашевич // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. - 1998. - № 3. - С. 48-55.

3. Канашевич Г.В. Вакуумні камери і пристрої для електронно-променевої обробки скла / Г.В. Канашевич // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. - 1999. - № 1. - С. 46-49.

4. Канашевич Г.В. Особливості поверхні і приповерхневого шару оптичного скла до і після електронно-променевої обробки / Г. В. Канашевич, Г.М. Дубровська // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. - 1999. - № 2. - С. 67-72.

5. Канашевич Г.В. Математична модель і алгоритм оптимізації процесів термічної обробки матеріалів інтегральної оптики / Г.В. Канашевич, В.А. Ващенко // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. - 1999. - № 3. - С. 3-8.

Размещено на Allbest.ru