СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................6
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ .................................. 15
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ............................16
1.1.Применение в промышленности и классификация металлокерамических соединений ............... 16
1.2. Материалы, применяемые для получения металлокерамических соединений ................. 28
1.3. Промышленные методы получения металлокерамических соединений ...................... 35
1.3.1. Характеристики способов получения металлокерамических соединений..................36
1.3.2. Получение металлокерамических соединений путем металлизации керамики........................................36
1.3.3. Технология термокомпрессионного соединения......................................49
1.3.4. Применение активных металлов ............52
1.4. Применение высококонцентрированных источников энергии для производства металлокерамических соединений ...................... 55
1.4.1. Электронно-лучевая сварка ...............57
1.4.2. Лазерная сварка и пайка керамики с металлом........................................62
1.5. Физико-химические представления о формировании контакта металл-керамика ............... 68
з
1.6. Выводы по главе и постановка
задачи исследования .'...............■............86
ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЗОНЕ
ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА НА МАТЕРИАЛЫ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ .............. 91
2.1. Предварительные замечания ....................... 91
2.2. Исследование коэффициентов отражения керамических материалов ......................... 92
2.3. Отражение лазерного излучения керамическими материалами при внешнем тепловом воздействии 99
2.4. Поглощение лазерного излучения металлами .... 105
2.5. Выводы по главе ..................................115
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ПАЙКИ
МЕТАЛЛА С КЕРАМИКОЙ ......................... 118
3.1. Общие подходы к моделированию
теплофизических задач .......................... 118
3.2. Тепловая модель плоского многослойного металлокерамического соединения с нелинейными краевыми условиями III и IV рода 132
3.3. Моделирование тепловых полей в конусном охватывающем металлокерамическом соединении . 14.5
3.4. Численное решение многофронтовой задачи Стефана для лазерной пайки металла
с керамикой.......................................157
3.5. Выводы по главе ..................................165
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ
ПОЛЕЙ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ПАЙКЕ КЕРАМИКИ С
МЕТАЛЛОМ......................................167
4.1. Экспериментальное исследование температур металлокерамического соединения при
4
непрерывном лазерном воздействии ............... 167
4.2. Методика скоростной тепловизионной съемки ...174
4.3. Особенности скоростной тепловизионной съемки 176
4.4. Формирование тепловых полей в метало-керамическом соединении при лазерной пайке . . 183
4.5. Выводы по главе ..................................193
ГЛАВА 5. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ .............. 195
5.1. Разработка технологии пайки керамики с металлом непрерывным лазерным излучением с использованием активных
металлов.........................................195
5.2. Исследование физико-химических процессов в зоне контакта керамика-металл при лазерной активной пайке........................................ 216
5.3. Модель адгезионного контакта высокоглиноземистой керамики с металлом
при пайке медью..................................222
5.4. Лазерная пайка металлокерамических соединений оловянно-свинцовыми припоями .............. 229
5.5. Перспективы применения прозрачной керамики для производства металлокерамических соединений.............................................236
5.6. Исследование эксплуатационных характеристик металлокерамических соединений ....................... 241
5.7. Выводы по главе ..................................245
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ..........................................248
ЛИТЕРАТУРА.............................................251
ПРИЛОЖЕНИЯ.................................'...........277
5
ВВЕДЕНИЕ
Соединения керамики с металлом находят широкое применение в микроэлектроникег электротехнике, атомной энергетике и др. отраслях промышленности в виде герметичных изоляторов. В зависимости от условий эксплуатации к параметрам металлокерамических конструкций предъявляются определенные требования: механическая и динамическая прочность, повышенные термостойкость, стойкость к воздействию агрессивных сред и ионизирующих излучений, вакуумная плотность, высокие электроизоляционные свойства и т.д.
В нашей стране выполнен ряд крупных научных исследований по соединению керамических материалов с металлами, среди которых особое место занимают работы Н.Ф. Казакова, В.А. Преснова, Г.В. Конюшкова, И.И. Метелкина, В.Н. Батыгина, В.А. Бачина, В.К. Ерошева и др.
Надежность и качество получаемых металлокерамических узлов в различных условиях эксплуатации зависят от правильного выбора материалов, конструктивного построения самого узла, а также особенностей технологий получения. Однако существующие традиционные технологии соединения керамики с металлом, как правило, многоступенчаты, производство металлокерамических соединений испытывает некоторые трудности вследствие сложности обработки керамики, неустойчивости ее к тепловым ударам, хрупкости. В процессе пайки или сварки существует необходимость использования инертной среды или вакуумных камер. В связи с этим наблюдается процесс постоянного расширения областей применения высококонцентрированных источников
6
энергии.
Круг технологических задач, решаемых с помощью лазеров, чрезвычайно широк. В первую очередь необходимо отметить лазерную сварку конструкционных материалов с самыми различными теплофизическими свойствами и прочностными характеристиками. Возможность концентрации сравнительно больших энергий на малых поверхностях обуславливает локальность процесса нагрева. Благодаря этому можно выполнять технологический процесс в непосредственной близости от металлостеклянных или металлокерамических спаев при производстве многоштырьковых контактов, вести пайку различных тугоплавких и активных металлов и сплавов с минимальным нарушением исходной структуры материала в зоне термического влияния. В условиях лазерной пайки керамики с металлом отпадает необходимость использования вакуумных камер и защитных сред, так как технологический процесс может производиться на воздухе.
Несмотря на большое количество работ, посвященных получению МКС, в настоящее время вопросы применения лазерного излучения для этих целей находятся в процессе исследований. Для устранения этого пробела в предлагаемой работе рассмотрен круг наиболее важных проблем, связанных с производством вакуумплотных металлокерамических спаев, а также с перспективами использования современных лазерных технологий.
Изучение особенностей физико-химических процессов, протекающих при воздействии лазерного излучения на соединяемые материалы позволяет, определить оптимальные режимы лазерной пайки и сварки керамики с металлом, а также наиболее целесообразный выбор материалов, обраба-
7
тываемых лазером.
Исследование механизма формирования контактов металл —керамика необходимо для создания устойчивой технологии получения вакуумплотных и прочных МКС.
Методической основой диссертации явился анализ научно-технической литературы по вопросу соединения керамики с металлом различными способами. При получении теоретических и экспериментальных результатов использовались методы аналитического и графического исследования.
Экспериментальные образцы были получены на лазерном измерительно-технологическом комплексе, разработанном автором в процессе выполнения работы. Исследования проведены методами растровой микроскопии на отражение, просвечивающей микроскопии, рентгеновского микроанализа и рентгенофазового анализа и др.
Целью диссертационной работы является доказательство применимости непрерывного лазерного излучения для получения качественных спаев металла с керамикой путем разработки перспективных технологических решений получения внешних и внутренних металлокерамических соединений, а также создание общих физико-математических положений, на основании которых возможно формирование контакта керамика-металл и модели, позволяющей определять оптимальные режимы технологического процесса.
Достижение указанной цели реализовано путем решения следующих научно-практических задач:
- определение оптических характеристик материалов в видимой и ближней ИК-области;
- проведение комплексного изучения переходной зоны полученных металлокерамических соединений методами мик-
рорентгеноспектрального анализа, растровой электронной микроскопии, рентгеновского микроанализа и др. для определения механизмов формирования контакта;
- построение физико-химической модели формирования контакта высокоглиноземистая керамика - металл для прогнозирования свойств и качества спая;
- построение физико-математической модели лазерной пайки МКС с нелинейными граничными условиями III и IV рода для многослойных плоских и конусных образцов;
- создание методик и программного обеспечения для расчетов основных параметров лазерного воздействия на соединяемые материалы при пайке;
- исследование формирования фронтов и границ плавления в соединяемых материалах при лазерном воздействии;
- разработка метода оценки тепловых быстропротекаю-щих процессов при лазерной пайке металла с керамикой;
- создание экспериментальных стендов и разработка технологических рекомендаций по производству соединений металла с керамикой для применения в промышленности
- получение металлокерамических соединений с использованием лазерного излучения различными методами
- определение качества получаемых металлокерамических соединений на механическую прочность и вакуумплот-ность.
Научная новизна работы состоит в следующем:
♦ Экспериментально и теоретически подтверждена возможность производства металлокерамических соединений при помощи лазерного излучения в виде предложенных тех-
9
нологий получения внешних и внутренних МКС различного назначения:
а) при помощи активных металлов;
б) при помощи оловянно-свинцовых припоев;
в) с керамикой, прозрачной для лазерного излучения /Патент на изобретение № 2099312. Опубликован в ГРИ Роспатент 20.12.1997 г.;
♦ Определены коэффициенты отражения промышленных типов керамических материалов в видимой и ближней ИК-области, построены их зависимости от температуры и шероховатости поверхности;
♦ Разработан метод скоростной тепловизионной съемки, позволяющий проводить оценки тепловых быстропротекающих процессов при лазерной пайке металла с керамикой;
♦ Разработана общая физико-технологическая модель лазерной пайки керамики с металлом для плоских и конусных соединений;
♦ Решена задача о формировании фронтов плавления (многофронтовая задача Стефана) при лазерной пайке движущимся точечным высококонцентрированным источником нагрева, созданы алгоритмы ее решения, разработан пакет прикладных программ, позволяющий определять положение границ плавления в соединяемых материалах для определения технологических режимов пайки;
♦ Теоретически определены термодинамические параметры образующихся фаз в зоне контакта, установлены физико-химические закономерности протекающих процессов, предложена физико-химическая модель контакта высокоглиноземистой керамики с металлом; на основании которой сформулированы технологические требования к металлу и
ю
керамике;
Защищаемые положения. На защиту выносятся разработанные теоретические и методические основы формирования контакта высокоглиноземистая керамика металл при лазерной пайке в виде:
1. установленных закономерностей изменения оптических характеристик промышленных типов керамических материалов в видимой и ближней ИК-области при внешнем тепловом воздействии;
2. установленных физико-химических особенностей протекающих процессов с образованием соединения А12Т105 и полученных термодинамических параметров образующихся фаз в зоне контакта;
3. разработанных теплофизических моделей лазерной пайки плоских и конусных систем металл-диэлектрик с образованием нескольких фазовых фронтов;
4. разработанной методики решения многофронтовой задачи Стефана при воздействии движущегося точечного высококонцентрированного источника нагрева и ее программная реализация, позволяющая определять мгновенное значение положения границ плавления в соединяемых материалах;
5. методики скоростной тепловизионной съемки и ее программная реализация;
6. теоретических и методических основ лазерных технологий получения внешних и внутренних металлокерамических соединений различного назначения для активной пайки, пайки низкотемпературными припоями и пайки металлов с керамикой, прозрачной для лазерного излучения.
7. диапазонов посадок охватывающих металлокерамиче-
п
ских соединений промышленного типа ИПН-200, ИП-500,
проверенных экспериментально;
Практическая ценность и реализация результатов.
Разработаны и созданы экспериментальные стенды, техническая документация по производству металлокерамических соединений для применения в промышленности;
Полученные результаты экспериментальных исследований переходной зоны металлокерамических соединений, полученных по технологии лазерной активной пайки металла с керамикой, легли в основу конкретных рекомендаций по производству проходных изоляторов типа ИПН - 200, использованных в НИР и ОКР по тематике «Разработка герметичных кабельных вводов для АЭС» Амурского комплексного научно-исследовательского института ДВО РАН (г. Благовещенск) . По результатам совместных разработок получен 1 патент на способ изготовления герметичных вводов для контрольных кабелей АЭС. Разработанная технология соединения керамики с металлом с применением лазерного излучения дает устойчивое воспроизведение результатов и может быть рекомендована для промышленного внедрения.
Результаты проведенных исследований по оценке реальных температур являются основой методики измерения и контроля быстропротекающих тепловых процессов при лазерной пайке металла с керамикой были использованы при чтении дисциплины «Технология лазерной обработки материалов», а также при подготовке курсовых и дипломных работ студентов инженерно-физических специальностей в МГТУ им. Н.Э. Баумана и Амурского государственного университета; экспериментальные теоретические методики определения кинетики окисления материалов при лазерном
12
воздействии, а также методы, основанные на базовых положениях теории математического моделирования, расчета и анализа на ЭВМ тепловых процессов при лазерной пайке были разработаны в рамках научного гранта РФФИ «Физикохимические процессы, протекающие в металлокерамическом соединении при воздействии лазерного излучения» (грант № 17812); методики исследования переходной зоны металлокерамического соединения и различные способы лазерной пайки металла с керамикой были реализованы в рамках НИР Министерства образования РФ «Развитие научной школы в области обработки материалов высококонцентрированными источниками энергии в Амурском государственном университете» .
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Региональных научно-технических конференциях молодых ученых Приамурья (1994-1996гг., г. Благовещенск, АмГУ), Международной научно-технической конференции по лазерной обработке поверхности "Амур - 94", Четвертой международной
школе-симпозиуме "Физика и химия твердого тела" (1994г., г.Благовещенск), Российской научно-технической конференции "Перспективные технологические процессы обработки материалов" (октябрь 1995г., г.С.-Петербург), Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (ноябрь 1995г., г.Москва), международной научно-технической конференции «Лазерная технология и средства ее реализации - 97» (г. С.-Петербург, 1997 г) , а также ежегодном Межнациональном Совещании «Радиационная физика твердого тела», (г. Севастополь .1997-1999 гг), региональной научной конференции
п
молодых ученых по физике, (г. Владивосток, 2000-2005 гг.); на международной научно-технической конференции "Лазерная техника и технологии" (г. Санкт-Петербург, 2001 г.)/ на международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях", (г. Смоленск, 2001, 2002 гг.), и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано
57 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, общих выводов, списка использованных источников (232 наименования), и приложений.
Работа выполнена на 320 страницах, содержит 22 таблицы, 92 рисунка в основном тексте и 50 рис. в приложении .
ч
14
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АЛТК
ВКИЭ
КТР
ЛАП
МКС
МКУ
стс
РЭМ
ТКЛР
ЭЛАП
элс
автоматический лазерный технологический комплекс
высококонцентрированные источники энергии коэффициент термического расширения лазерная активная пайка металлокерамическое соединение металлокерамический узел скоростная тепловизионная съемка растровый электронный микроскоп температурный коэффициент линейного расширения
электроннолучевая активная пайка электроннолучевая сварка
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
1.1. Применение в промышленности и классификация металлокерамических соединений
Современные требования к промышленным изделиям ПО качеству, эксплуатационной надежности, долговечности и другим параметрам обусловили необходимость поиска оптимальных способов применения конструкционных материалов и целенаправленной модификации их свойств. Учитывая высокие эксплуатационные характеристики металлокерамических узлов, в последние десятилетия в различных изделиях широко используют соединения керамических диэлектриков с металлами.
Впервые металлокерамические конструкции были разработаны почти полвека назад в электронной и
радиоэлектронной промышленности [49] . Их применение в то время было вызвано необходимостью повысить технологические температуры изготовления электровакуумных приборов. Требовалось также расширить радиотехнические параметры, особенно при переходе к сверхвысо-
кочастотному диапазону, в первую очередь в таких сферах деятельности, как радиолокация, связь, телевидение.
Проведенные научные исследования показали, что
стабильность свойств и геометрических размеров керамических деталей позволяют осуществлять не только кратковременную температурную обработку в процессе изготовления прибора, но и обеспечивают длительную работоспособность при температурах до 1673...1973 К [50] .
16
За счет высокой механической прочности керамики в зоне спая допустимы значительные механические напряжения. Поэтому во многих случаях при изготовлении соединений точное соответствие ТКЛР соединяемых материалов не является обязательным, как в случаях стекло—металл. Это обстоятельство явилось весьма существенным
положительным технологическим и эксплуатационным отличием от того, как это давно стало при соединениях металла со стеклом. С использованием этого преимущества были выполнены практические конструкторско-технологические разработки в различных отраслях промышленности, позволившие осуществить широкое внедрение МКУ. Приведем лишь некоторые известные и описанные в научно-технической литературе примеры [12, 20, 29, 49, 80, 82, 92, 98, 109, 126, 131, 146, 169, 178, 179,191],
подтверждающие эффективность использования МКУ.
Например, новый принцип конструирования
металлокерамических электронных ламп СВЧ, заключающийся в плоском расположении электродов и круговом
безындуктивном выводе сетки, позволил расширить рабочий диапазон частот и уменьшить габариты триодных
электронных ламп, оптимально разместив элементы
колебательного контура. В настоящее время металлокерамические триоды малой и средней мощности широко применяются в источниках питания, радиорелейных линиях и других узлах радиоэлектронной аппаратуры.
Спаи тугоплавких металлов с корундовой керамикой
широко используются в современной авиационно-ракетной технике в качестве свечей, вакуумплотных вводов, высоковольтных выводов и антенн для датчиков и
17
устройств, расположенных вне корпуса корабля. Для этих целей также используются МКУ на основе лейкосапфира, кварца в виде вакуумплотных окон, прозрачных для волн различной длины электромагнитных излучений, в виде дисков и . перегородок в аппаратуре автоматического управления полетом.
Термостойкие металлокерамические конденсаторы, диоды и триоды, разработанные на основе спаев тугоплавких металлов с высокоглиноземистой керамикой, успешно эксплуатируются в высокотемпературном оборудовании. Приведем в качестве примера достаточно широко применяемые в промышленности нувисторы. Использование при их изготовлении металлокерамики, допускающей высокотемпературный прогрев, способствовало удалению газов и загрязнений с внутриламповой арматуры. Это обеспечило создание вакуума внутри приборов до 10”9 мм рт. ст. Поэтому нувисторы могут эксплуатироваться при более высокой температуре, чем обычные лампы, и более компактно монтироваться в радиоаппаратуре. За счет жестко спаянной системы электродов нувисторы выдерживают длительную вибрацию с ускорением Ъд и удары с ускорением до ЮООдг. Их рабочая температура без изменения электрических параметров может варьироваться от 73 до 623 К [22], а в ряде случаев они успешно работают и при температуре окружающей среды до 773 К. Нувисторы применяются также в телевизионных камерах, ультракоротковолновых авиационных приемниках и усилительных схемах.
В настоящее время разработана технология изготовления катодных пушек различных конструкций и
18
габаритов. При этом используются детали из алюмооксидной керамики, наиболее полно отвечающей требованиям по вакуумным, электроизоляционным и механическим свойствам. Металлокерамические пушки, спаянные твердыми припоями, хорошо выдерживают последующую пайку или сварку с металлической оболочкой прибора, что весьма важно при его эксплуатации.
Оболочки приборов обеспечивают не только нужные взаимное расположение элементов, механическую прочность и жесткость всего прибора при различных статических и динамических нагрузках, но при необходимости и получение внутри прибора вакуума и сохранение его при работе в различных температурных условиях. Через детали оболочки передается во внешнюю среду основная выделяемая в приборах тепловая энергия. В некоторых приборах по металлическим деталям оболочек текут значительные по величине и частоте токи. Поэтому соединения керамических деталей с оболочкой должны обладать высокой точностью, статической и динамической прочностью, а также формоустойчивостью, вакуумной плотностью, малой газопроницаемостью при термоциклических нагрузках. Нередко к таким соединениям предъявляются жесткие требования по стойкости к воздействию агрессивных сред и радиации.
В электровакуумном производстве также находят широкое применение металлокерамические соединения. Используемые при герметизации приборов (рис. 1.1, 1.2), они позволяют улучшать предельный вакуум, долговечность и параметры аппаратуры. Вакуумплотные металлокерамические узлы на основе миналунда в приборах,
19
Рис. 1.1. Коаксиальный высокочастотный ввод энергии электровакуумного прибора:
1 — керамическая шайба; 2 — молибденорениевый ввод;
3 - кольцо-компенсатор; 4 — медный стакан
\
Рис. 1.2. Изолятор коллектора электровакуумного
прибора:
V 1 — медная манжета; 2 — керамическое кольцо;
3 — компенсаторное кольцо
20
работающих в условиях высокого вакуума (до Ю“10 мм рт. ст.) и температуре до 973 К, используются в качестве термовводов и высоковольтных изоляторов с поверхностным сопротивлением до 10l:L...1012 Ом при рабочем напряжении до 300 кВ [50,178].
Мощные магнетроны и клистроны содержат металлокерамические узлы в конструкциях вакуумных токовых вводов, изоляторов резонаторных контуров, электрической изоляции и крепления катода, а также элементов электронной настройки. В этом классе приборов вакуумплотная керамика соединяется с
тугоплавкими металлами по активной технологии с предварительной металлизацией керамических
поверхностей, что обеспечивает проведение откачки приборов при 873...973 К.
Соединение керамики с металлом используется также при изготовлении замедляющих систем мощных коротковолновых приборов. Повышение мощности и укорочение их рабочей волны вызывает повышение плотности потока и мощности в электронных пучках. Для хорошего теплоотвода максимально сокращают путь
теплового потока от мест выделения теплоты до поверхностей теплоотвода. Замедляющую систему
изготавливают путем соединения тонкой медной фольги с пластиной изолятора, обладающего высокой
теплопроводностью, например бериллиевой керамикой. Теплоотвод такой системы значительно короче, чем в обычных замедляющих системах. Аналогичные конструкции рассеивают примерно в 20 раз больше тепловой энергии, чем системы без керамических подложек [82] .
21
Успехи в области материаловедения, конструирования и технологии соединения металлокерамических узлов явились базой для развития мощных электронных приборов. Генераторные и импульсные модуляторные лампы также содержат металлокерамические соединения: лампы НЧ-
диапазона средней мощности имеют металлокерамические катодные выводы штырьевой конструкции, обеспечивающие подвод тока к катоду в несколько сотен ампер и жесткую фиксацию электродов с необходимой соосностью; лампы СВЧ-диапазона имеют выводы плоской конструкции с коаксиально расположенными дисковыми электродами. При этом для ламп большой мощности в спае с керамикой применяют медные электроды толщиной от 2 до 5 мм при диаметре спая 190 мм [109]. Разработанные конструкции элементов генераторных ламп имеют существенно меньшие габариты и большую термостойкость по сравнению с металлостеклянными.
Высокие требования по термостойкости и диапазону рабочих температур предъявляются к МКС, применяемым в космических термоэмиссионных преобразователях солнечной энергии. Такие узлы должны в течение до 10000 ч выдерживать от 5... 6000 термоциклов в интервале температур от 0 до 873...1773 К [178,179] .
В более жестких условиях эксплуатируются металлокерамичесие узлы реакторных термоэмиссионных преобразователей. Такие конструкции должны нормально функционировать и выдерживать кроме высоких температур воздействия мощных нейтронных и у-потоков [131, 132,
148,172].
22
Зона расположения систем управления и защиты, а также активная зона ядерного реактора имеют высокий уровень радиоактивности, затрудняющий их обслуживание и профилактику. Условия эксплуатации металлокерамических узлов и приборов в активной зоне наиболее тяжелые. Оборудование в этом случае разрабатывается по специальным техническим требованиям. Для
электроснабжения и вывода контрольных сигналов различного назначения через бетонные и металлические защитные оболочки ядерного реактора, не нарушая герметичности, необходимо ввести до 2500 силовых кабелей на токи 100...700 А и более 60000 кабелей сигнализации, управления и защиты. Поэтому ядерная энергетика активно использует спаи керамики с металлом в качестве оболочек ^ тепловыделяющих элементов и различных гермовводов.
Конструкция гермовводов должна исключать разрушение или перегрев диэлектрика, сохранять вакуумную плотность и работоспособность в аварийном режиме при воздействии температуры 1073 К в течение 5 мин, при 1000 термоциклах 300...873...300 К и сейсмичности 9 баллов [132] .
Оптическая керамика представляет собой класс искусственно полученных поликристаллических
горячепрессованных материалов, прозрачных в видимом и ИК-диапазонах спектра. К ним относятся однофазные керамики на основе оксидов алюминия, фторидов щелочноземельных металлов, халькогенидов, цинка, кадмия и др. Эти материалы по своим оптическим свойствам соответствуют монокристаллам, но размеры их не лимитируются, а термомеханические свойства выше, чем у монокристаллов, вследствие отсутствия плоскостей
23
спайности. Их применяют в виде элементов ИК-аппаратуры, линз, окон, фильтров, обтекателей и т.д. В мощных электронных приборах прозрачная керамика применяется в виде окон вывода в волноводный тракт генерируемой внутри прибора электромагнитной энергии, а также оптических окон в корпусах приборов (рис. 1.3) [80] .
Обширность областей применения металлокерамических соединений дает возможность использования их свойств для успешного решения сложных научно-технических задач с максимальным экономическим эффектом.
Разнообразие технологий изготовления, областей применения, условий эксплуатации и требований,
предъявляемых к металлокерамическим узлам, позволяет разбить их на ряд групп, положив в основу различные признаки. Например, при рассмотрении физикотехнологических принципов соединения металла и керамики существует принципиальное различие между процессами сварки и пайки материалов (рис. 1.4). Выбор же способа соединения металлокерамических узлов во многом зависит от условий их последующей эксплуатации. Для узлов, работающих в парах цезия, более стойкими и долговечными оказались соединения, полученные диффузионным способом или с помощью ВКИЭ.
Наиболее перспективны способы соединения керамики с металлами и сплавами, позволяющие получать прочные,, вакуумплотные узлы, способные выдерживать высокие температуры (выше 773 К), а также противостоять
действию агрессивных сред. Для этих целей применяются тугоплавкие металлы и вакуумплотная термостойкая керамика. При высокотемпературном воздействии сложно
24
Рис. 1.3. Конструктивное оформление оптических окон в корпусах приборов
</
25
получить соединения керамики с металлом напрямую в силу их физико-химических свойств и плохого смачивания глиноземистой керамики большинством расплавленных металлов. Поэтому существуют технологии, использующие предварительную металлизацию керамических материалов.
Как правило, технологии сварки и пайки подразумевают термическое воздействие на соединяемые материалы. Поэтому появились работы [115, 116, 160, 161, 162,
163,164], предлагающие использовать для соединения керамики с металлом ВКИЭ.
В качестве следующего направления классификации МКУ используются области их применения, связанные с различным функциональным назначением (рис. 1.5) [179].
Проходные МКС применяются для коммутации токов, ввода и вывода потенциала сквозь стенки аппаратов и устройств. Конструктивно проходные металлокерамические изоляторы могут быть выполнены из керамических деталей различной конфигура- ции (плоские, цилиндрические, конусные, ребристые и т.д.). В связи с тем, что процессы, связанные с коммутацией электро- и магнитной энергии, сопровождаются выделением теплоты, МКУ могут выполнять также и теплоизолирующие функции.
В теплоизолирующих опорных МКУ могут применяться любые формы керамических . деталей, причем, чем меньше сечение изолятора, больше его длина и ниже коэффициент теплопроводности, тем меньший тепловой поток будет направлен от смежных изолирующих элементов. Для приборов и установок, находящихся под различным напряжением, разработаны опорные изоляторы, служащие для механического крепления электродов к корпусам
26
СВАРКА
Процесс получения неразъемного соединения посредством установления между соединяемыми материалами связей путем доведения до температуры плавления одного из компонентов при
местном или общем нагреве
—
"1 Без металлизации Без применения
керамики вкиэ * _
і
Диффузная свар- Нагрев в печах
ка Нагоев газовой
термокомпресси- 1 горелкой
ойкая сварка Нагрев трением
Сварка трением Нагрев ультра-
Электронно-лу- : звуком
чевая сварка Нагрев токами
Лазерная сварка : СВЧ
Другие виды , Другие виды на-
сварки грева
Рис. 1.4. Классификация
ПАЙКА
Процесс получения неразъемного соединения с нагревом ниже температуры плавления соединяемых материалов путем расплавления/ смачивания, растекания припоя и заполнения им зазора между спаиваемыми материалами при местном или общем нагреве
С использованием ВКИЭ ■ ж Без металлизации керамики . ІС металлизацией керамики \
т < і
Нагрев лучком Использование Термокомпрссси-
ионов активных ме- онная техно-
Нагрев элек- таллов логия
тронным лучом !Использование Мслибдено-мар-
Нагрев лазерным смеси оксидов ганцевая тех-
излучением |Использование нология
Другие, виды на- оксидов ОДНО- Электроннолуче-
грева ; валентной ме- вая техноло-
ди гия
Использование Лазерная техно-
стеклоприлоев логи я
Другое исполь- \ Другие техноло-
зование гии
по технологическому признаку изготовления
МЕТЛЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ УЗЛЫ
- .Проходные Охне электромагнитных Опорные
изоляторы излучений изоляторы
Короткоконсольные [ Коаксиально-цилиндрические, Коаксиальные| Ребристые Дисковые Цилиндрические Рис. 1.5. Классификация электроизоляционных МКУ по назначению и конструктивному построению
2в
приборов. Функции вакуумплотной оболочки выполняют металлокерамические окна для пропускания
электромагнитных излучений в различных диапазонах частот. Такие конструкции часто используются в вакуумной и ИК-технике. Применяемые металлокерамические соединения в этом случае должны выполняться из керамики, максимально прозрачной в 'заданном диапазоне электромагнитных излучений, и обладать хорошей термостойкостью и вакуумной плотностью.
Указанные группы тесно взаимосвязаны. Например, как в одиночных, так и в групповых вводах МКУ оформляются в виде торцевых, охватывающих или внутренних спаев. Поэтому классификации металлокерамических соединений по способам получения и конструктивным особенностям
являются условными. То или иное конструктивное оформление выбирают исходя из требований, предъявляемых к узлу, свойств соединяемых материалов и возможностей осуществления технологического процесса. Обычно каждая из известных технологий для получения качественных узлов использует сочетание нескольких способов.
1.2. Материалы, применяемые для получения металлокерамических соединений
В настоящее время промышленностью освоено и
выпускается большое количество керамических
материалов, которые могут использоваться для вакуумлотного соединения с металлами.
Впервые металлокерамические спаи были получены на
29
деталях из стеатита и форстерита. Однако эти материалы в ряде случаев уже не отвечают требованиям, предъявляемым к металлокерамическим конструкциям. Изделия из форстерита и стеатита имеют сравнительно небольшую механическую прочность, пониженные
температуры службы, малую термостойкость. В связи с этим они практически вытеснены керамическими деталями, изготовленными из масс на основе А1203 и ВеО. Как правило, повышение процентного содержания основного окисла в составе керамического изделия сопровождается значительным улучшением свойств изделия и приближения их к свойствам соответствующих чистых окислов [68].
Наиболее распространены керамические изделия, изготовленные из корундовых масс с содержанием А1203 в пределах 70—97 % [69]. Изделия из окиси бериллия
значительно дороже и, кроме того, технология их изготовления затруднена ввиду токсичности бериллия и его соединений.
Изделия из особо чистых окислов с содержанием основного компонента в пределах 98 % обладают еще более высокими физико-техническими свойствами, но их широкое применение в металлокерамических соединениях сдерживается повышенной стоимостью.
Широкое распространение при изготовлении МКУ получили керамические материалы с содержанием стеклофазы в пределах 8...15% объем., так как указанное количество стеклофазы является оптимальным при изготовлении МКУ способом предварительной металлизации керамики тугоплавкими металлами с последующей пайкой
30
- Київ+380960830922