Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Вакпрофи. Публикация статей ВАК, Scopus
Научные направления
Поделиться:
Срочные публикации в журналах ВАК и зарубежных журналах Скопус (SCOPUS)!



Научные публикации в научно-издательском центре Аэтерна


Статья опубликована в №54 (февраль) 2018
Разделы: Нанотехнологии
Размещена 19.02.2018.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В РАЗРАБОТКЕ ЛАЗЕРНОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ НЕЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Поплавская Лидия Андреевна

кандидат физико-математических наук

Академия МВД Республики Беларусь

доцент

Журавлева Валентина Илларионовна, доцент Военной Академии МВД Республики Беларусь


Аннотация:
С целью разработки новых эффективных методов эмиссионного спектрального анализа керамических материалов: исследовано влияние условий лазерного воздействия на абляцию материалов; исследовано влияние условий лазерного воздействия на спектры излучения лазерной плазмы. Воздействовалось лазерное излучение с плотностью мощности на поверхности образца 1,7 - 1011 Вт/см2. Установлена зависимость интенсивности спектральных линий основы от структуры материала.


Abstract:
In order to develop new efficient methods for the emission spectral analysis of ceramic materials: the influence of laser action conditions on the ablation of materials is investigated; the influence of laser exposure conditions on laser plasma emission spectra is investigated. In order to develop new efficient methods for the emission spectral analysis of ceramic materials. Laser radiation with a power density on the surface of the sample of 1,7-1011 w/cm2. The dependence of the intensity of the spectral lines of the substrate on the structure of the materia


Ключевые слова:
лазерный анализ; эмиссионный анализ; спектральный анализ; интенсивность; спектральная линия; плазма; фарфор; керамика

Keywords:
laser analysis; emission analysis; spectral analysis; intensity; spectral line; plasma; porcelain; ceramics


УДК 535.211

Tермин «нанотехнология» до сих пор популярен и до сих пор воспринимается как нечто новое. Этот термин продолжает звучать в телевизионных новостях и научно-популярных передачах, не исчезает из страниц газет и научных журналов, встречается на сайтах сети Интернет. А само название этой новой науки возникло в результате добавления приставки «нано», означающей изменение масштаба в 10-9 (в миллиард) раз, к весьма общему понятию «технология». 1 нанометр, обозначаемый 1 нм, равен 10-9 м, т.е. 1 нм=10-9 м, что составляет одну миллиардную часть метра. А введен этот термин «нанотехнология» впервые в 1974 году японским ученым К. Танигучи при обсуждении проблем обработки хрупких материалов. Нанотехнологию можно определить как набор методик регулирования структуры и состава вещества, основанных на манипуляциях в масштабах 1 – 100 нм, что совпадает с действиями на уровне отдельных атомов и молекул.

Несмотря на то, что нанотехнологиям приписывается решение чуть ли не всех проблем будущего, это, безусловно, не совсем так. Тем не менее, нанотехнологии дают широкие возможности обработки и создания прочных материалов для различных областей науки и техники в силу новых технологических приемов. Последние десятилетия исследования в области нанотехнологий ведутся еще более интенсивно, и результаты исследований подтверждают перспективность данного научного направления, обещающего произвести настоящую научно-техническую революцию в производстве конструкционных материалов, изготовлении фармацевтических препаратов, информационных технологиях, конструировании сверхточных устройств, и других областях.

Специфические условия эксплуатации современной техники и оборудования требуют создания защитных покрытий, обеспечивающих высокую стойкость к износу, коррозии, повышенным температурам, окислению и механическим нагрузкам. Одним из важных направлений на этом пути является разработка новых эффективных методов эмиссионного спектрального анализа для обработки неметаллических материалов, в частности, для обработки керамики, фарфора и других твердых, стеклообразных, структурированных пористых материалов с целью значительного увеличения их прочности. Именно обработанные таким методом высокопрочные керамика, фарфор и ряд других твердых, стеклообразных, структурированных пористых материалов находят свое незаменимое место в высоких технологических сферах, от обшивки многоразовых космических челноков до элементов земных зданий и сооружений. Одним из наиболее мощных инструментов такой обработки вышеуказанных материалов является лазерная абляция, приводящая к формированию наноразмерных стеклообразных волокон, а в случае керамических материалов в присутствии жидкости приводящая к формированию макроразмерных тонкостенных сфер над зоной обработки. При этом характер взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом зависит от множества факторов, одним из наиболее сложных из которых на начальном этапе является выбор лазера по его оптическим и энергетическим параметрам, режимов его работы и способов формирования и фокусирования лазерного излучения.

При выборе подходящего лазера приходится учитывать не только то, что характер взаимодействия его излучения зависит от оптических, теплофизических и механических свойств обрабатываемого материала, но и то, что результат его обработки зависит от кинематических характеристик и от скоростных и режимных возможностей установки. Именно последние определяют временные и экспозиционные пределы воздействия лазерного излучения на материал, а также достижимую точность. Для обеспечения наилучшего результата проведения процесса обработки указанных выше материалов необходимо, прежде всего, определиться с теми параметрами, которые оказывают наиболее значимое влияние как на процесс обработки, так и на желаемый характер взаимодействия лазерного излучения с материалом. К основным факторам, оказывающим существенное влияние на процесс лазерной обработки указанных выше материалов, можно отнести

1) лазер, т.е. его тип, длина волны, диаметр пучка, расходимость излучения, энергия в импульсе, частота повторения импульсов, длительность и форма импульсов, выходная мощность, поляризация излучения, пространственное распределение интенсивности излучения, режимы работы;

2) обрабатываемый материал – оптические свойства материала на выбранной длине волны, поглощение, отражение, рассеяние как оптическое качество поверхности, коэффициент преломления, а также теплофизические свойства материала такие, как теплопроводность, теплоемкость, начальная температура, температура плавления, кипения и испарения, латентное тепло фазовых переходов, коэффициенты термического расширения и поверхностного натяжения для жидкой фазы, состав для сплавов, давление насыщенных паров и механические свойства материала – плотность, твердость, упругость, размеры;

3) параметры процесса обработки –положение фокальной плоскости и глубина фокуса, размер и форма сфокусированного пятна излучения, характеристика объектива и вспомогательной оптики, перекрытие соседних световых пятен, защитные и режущие газы, скорость перемещения, методика обработки и другие.

Во многих научных работах, посвященных взаимодействию мощного лазерного излучения с поверхностью мишени, основное внимание уделяется физическим процессам, протекающим в факельной плазме, ее энергетическим характеристикам, зависимости поведения плазмы от параметров лазерного излучения, решается также и задача распространения тепла в глубь мишени, однако при этом сам механизм абляции вещества, распыляемого с мишени, и его влияние на механизм роста пленки, остаются в тени. А именно наличие описания механизма переноса вещества мишени на подложку под влиянием мощного лазерного излучения очень важно с практической точки зрения. Ибо качество поверхности пленки с ее макроструктурой являются критическими параметрами, подлежащими оптимизация экспериментальным путем.

Целью данной работы явилась разработка лазерного экспресс-метода технологического контроля изготовления высокопрочного фарфора и керамики с учетом аналитических возможностей лазерной плазмы, зависящих как от параметров лазерного излучения, так и от процессов лазерной абляции материала, от его структуры, теплофизических, механических, оптических и других его характеристик.

При разработке вышеуказанного лазерного экспресс-метода был использован лазер частотный двухимпульсный Nd:YAG с длиной волны в 1,06 мкм. При этом длительность одиночного импульса составляла 10 нс, а его энергия составляла 0,04 - 0,05 Дж. Временной интервал между импульсами составлял 8 мкс, а частота повторения импульсов составляла 10 Гц. Плотность мощности лазерного излучения на поверхности образца составляла 1,7×1011 Вт/см2. Регистрация спектров проводилась с помощью дифракционного спектрографа ДФС-458С с блоком регистрации на базе ПЗС-линеек.

В качестве модельных образцов использовались образцы фарфора и технической керамики, отобранные на разных технологических этапах изготовления. В процессе термических воздействий пористость фарфора изменялась в пределах от 21,5-23,5 % до 0,02 %. В процессе термических воздействий на образцы технической керамики на основе SiO2, пористость его изменялась в пределах от 0 % до 50 %. Кроме этого, в качестве модельных образцов использовались и образцы готовой фарфорой посуды такие, как тарелки и чашки разного качества как с браком (с дефектами, трещинами, инородными вкраплениями), так и без брака. Исходная масса для изготовления фарфора состояла из коалина, т.е. белой глины, кварца, полевого шпата и других алюмосиликатов.

При этом были использованы нереабсорбированные наиболее чувствительные спектральные линии элементов основы Si I 250,7 нм, Si I 251,4 нм, Si I 251,6 нм, Si I 252,4 нм, Si I 288,16 нм, Mg I 285,2 нм, Mg II 292,8 нм, Mg I 309,7 нм, Fe II 259,9 нм, Fe II 274,6 нм, Fe II 275,6 нм, Al II 281,61 нм, Al I 307,14 нм, Ca I 317,93 нм.

В результате эксперимента было установлено, что интенсивность линий элементов основы в спектрах фарфора, полученных при воздействии на материал лазерного излучения при одинаковых условиях, на каждом из технологических этапов возрастает. особенно это наблюдалось на этапе термического спекания материала при температуре от 1000º С до 1400º С. Последнее связано преимущественно с изменением структуры материала в процессе термических воздействий, причем, в интервале от 120º С до 1400º С происходило уменьшение степени пористости материала в процентном отношении от 21,5 % – 23,5 % до 0,02% и с более полным использованием вещества для формирования спектра фарфора. Что касается спектра керамики, то интенсивность спектральных линий у образцов керамики с ростом пористости снижалась от полутора до четырех раз в зависимости от линии элементов основы.

И в то же время было установлено, что при воздействии лазерного излучения на участки образцов с браком, содержащие дефекты, трещины, изломы, инородные вкрапления, нарушение симметрии изделия, интенсивность спектральных линий основы материала возрастала в 1,5 и более раза. Последнее объясняется влиянием структуры материала модельного образца. По присутствию в спектрах линий элементов, не входящих в состав фарфоровой массы, определена также и природа инородных дефектов, т.е. инородных включений. Полученные в результате эксперимента данные позволили выявить природу брака при изготовлении как фарфора, так и керамики.

Проведенное авторами исследование показало, что в спектрах, полученных в идентичных условиях лазерного воздействия и регистрации, интенсивность спектральных линий основы материала существенно зависит от структуры обрабатываемого материала.

Также было установлено, что при воздействии сфокусированного лазерного излучения сдвоенных импульсов с плотностью мощности 1,7×1011 вт/см2 пористость обоих материалов (как фарфора, так и керамики) приводит к снижению интенсивности линий элементов материала образцов. И в то же время, воздействие сфокусированного лазерного излучения сдвоенных импульсов с той же плотностью мощности на оба материала (фарфор и керамику) приводит к значительному увеличению выноса массы вещества из зоны воздействия лазерного луча за счет жидко-капельной фазы в продуктах эрозии.

Результаты исследования влияния условий лазерного воздействия на абляцию материалов и спектры излучения лазерной плазмы были положены в основу метода контроля технологических процессов изготовления фарфора, керамики и других твердых, стеклообразных и структурированных пористых материалов. С помощью корреляционного анализа с использованием встроенных статистических функций MS Excel было установлено, что характер лазерной абляции, размеры зоны разрушения и интенсивность спектральных линий элемента основы материала как фарфора, так и керамики, коррелируют с плотностью материала, изготовленного в различных технологических условиях.

Библиографический список:

1. Журавлева В.И., Поплавская Л.А. Применение лазерного эмиссионного спектрального метода для контроля качества керамики // Наука и образование в современном обществе: вектор развития. Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 3 апреля 2014 г. Часть 1. М.: «АР-Консалт», 2014, с.36-37.
2. Журавлева В.И., Поплавская Л.А. Лазерная абляция твердых неэлектропроводных материалов // Наука и образование в XXI веке: теория, практика, инновации». Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 2 июня 2014 г. Часть I. М.: «АР-Консалт», 2014, с. 17-18.




Комментарии пользователей:

8.03.2018, 18:32 Велигурский Геннадий Алексанролвич
Отзыв: Актуальность статьи и новизна предложенного метода не вызывает сомнений. Керамические изделия – широкий спектр материалов, полуфабрикатов и законченных изделий, находящих сегодня свое незаменимое место в высоких технологических сферах и являющихся своеобразной нишей в улучшении многовековой истории ее технологических усовершенствований, которое в век информационных технологий приобрело ряд новых направлений, одно из которых и рассмотрено автором. Автором проделана огромная исследовательская работа, однако для успешной реализации предложенного автором метода технологического процесса требуется разработка установки с контролем выходной мощности и длительности импульсов, а также с высокоточной системой позицирования источника воздействия (лазерного луча), обеспечивающая перемещение объекта в пространстве по трем координатным направлениям. Внедрение ее в массовое производство, как и всех лазерных установок, является процедурой дорогостоящей, а бюджет страны все также находится в кризисе, то хотелось бы пожелать автору удачи в поиске настоящего хозяина производства , взявшего на вооружение данный метод. Материал статьи интересен для профессионалов и, несомненно, подлежит публикации. С уважением, Геннадий Александрович


12.03.2018, 21:34 Поплавская Лидия Андреевна
Отзыв: Спасибо за отзыв, Геннадий Александрович. Довольно неожиданно, поскольку мы с Вами пересекались в научных исследованиях. Пожелания Ваши постараемся учесть, тем более что мы не в конце научного пути по данному исследованию. А что касается внедрения предложенного метода - все еще впереди. Пока рановато ставить телегу впереди лошади. Еще не проведено изготовление всех промышленных образцов и проведение заводских испытаний. С уважением, Лидия Андреевна


Оставить комментарий


 
 

Вверх