Статья опубликована в №54 (февраль) 2018
Разделы: Нанотехнологии
Размещена 19.02.2018.
Просмотров - 1466

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

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.

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