2
Содержание
Стр.
Введение............................................................. 4
ГЛАВА 1. Физические процессы, протекающие при эксплуатации конструкционных материалов в отпаянных вакуумных и газоразрядных приборах, а также при получении высокочистых порошковых сред 11
1.1. Перспективные вакуумные СВЧ- и газоразрядные приборы.......... 11
1.2. Современное состояние разработки холодных катодов для вакуумных СВЧ-приборов................................................ 19
1.3. Методы получения особо чистых шихтовых (порошкообразных) веществ. Физические процессы, наблюдаемые при их реализации .. 31
Выводы к главе 1 ................................................... 41
ГЛАВА 2. Техника эксперимента: способы получения и оборудование для изготовления объектов исследования и методы определения их основных физических свойств....................................... 42
2.1. Объекты исследования........................................... 42
2.1.1. Кварцевое стекло........................................ 42
2.1.2. Композиционные палладий-бариевые ленты.................. 44
2.2. Способы и оборудование для очистки дисперсных систем
от посторонних примесей........................................ 57
2.3. Оборудование для получения и исследования основных физических свойств модельных и экспериментальных образцов............. 62
Выводы к главе 2.................................................... 64
ГЛАВА 3. Получение особо чистых дисперсных материалов и изучение физических свойств образцов, изготовленных на их основе (экспериментальная часть)............................................... 66
3.1. Технические принципы и способы получения особо чистых металлических и диэлектрических дисперсных сред.......................... 66
3.1.1. Техника процесса очистки дисперсных порошков на основе
палладия.................................................. 66
3
Стр.
3.1.2. Технические приемы очистки кварцевых песков........... 69
3.2. Особенности приготовления экспериментальных партий порошков РсЩЗа......................................................... 73
3.2.1. Физико-технические основы получения и применения Рё5Ва
в экспериментальных композиционных образцах............. 73
3.2.2. Детальное описание экспериментальных исследований по получению интерметаллида............................. 75
3.2.3. Экспериментальные образцы с интерметалл и дом Рс15Ва 79
3.2.4. Изучение структуры и физических свойств модельных композиционных образцов и лент Рс1Ва.................... 81
3.2.5. Эмиссионные свойства модельных образцов Рс1-Рс15Ва 84
3.3. Получение экспериментальных образцов из особо чистых дисперсных материалов на основе палладия......................... 86
3.4. Технология применения порошковой массы РсЫЗа, подвергнутой магнитной сепарации, в композиционных изделиях................ 90
3.4.1. Получение палладиевых дисперсных сред (шихты)......... 90
3.4.2. Изготовление экспериментальной композиционной Рб-Рс^Ва ленты......................................................... 91
3.4.3. Изготовление композиционных колец РсКРс^Ва для безна-кальных магнетронов с автоэмиссиониым запуском....... 92
3.5. Свойства очищенных магнитной сепарацией кварцевых песков и результаты их использования................................... 98
Выводы к главе 3.................................................. 104
Заключение........................................................ 106
Общие выводы...................................................... 109
Литература..........-.............................................. 111
4
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшей задачей физики конденсированного состояния и, в частности физики твердого тела, является установление связи между структурой и свойствами веществ и предсказание на этой основе путей поиска новых и совершенствования уже существующих материалов.
Главная отличительная особенность таких материалов - способность обладать целым рядом прецизионных свойств, сохранять форму при воздействии на них высоких температур, значительных плотностей ионноэлектронной бомбардировки и излучения. Это определило физику конденсированного состояния в качестве важного раздела физики, наиболее близкого к практическому применению в машиностроении, радиоэлектронике и приборостроении.
Особое место среди объектов физики конденсированного состояния занимают дисперсные твердые среды - порошковые материалы, как металлические, так и диэлектрические. Именно они являются исходными компонентами для изготовления композиционных материалов. Структура их может быть кристаллической или аморфной, но от состава их композиций зависят физические свойства и эксплуатационные параметры готовых изделий. Не менее важным является и степень чистоті,! каждой из компонентов дисперсной твердой среды. Иногда даже незначительное количество инородных примесей не позволяет достигнуть того или иного параметра в готовом изделии.
Важнейшим требованием конца прошлого столетия и тем более наступившего 21-го века является разработка экологически безопасных материалов с параметрами, равными или превосходящими известные материалы, созданные с применением веществ I класса опасности (бериллия, тория и т.п.), используемых серийно.
Поэтому актуальной задачей является получение высокочистых дисперсных твердых сред, не содержащих в своем составе веществ I класса
5
опасности, но обеспечивающих получение на их основе композиционных материалов и изделий с физическими свойствами, удовлетворяющими требованиям, предъявленным к ним современной техникой, в частности, вакуумной.
Вакуумная наука и техника по-прежнему является одним из основных векторов развития оборонных отраслей промышленности. Вакуумные сверхвысокочастотные приборы и газоразрядные лазеры — базовая основа современных радиолокационных и навигационных систем. К этим отпаянным приборам постоянно возрастают требования по увеличению надежности и долговечности. Прежде всего, это касается таких конструкционных материалов как источники электронов (катоды) и активные элементы вакуумных и газоразрядных приборов. От их свойств во многом зависят основные параметры приборов. Как и для большинства конструкционных элементов, исходными материалами вторично-эмиссионных катодов вакуумных сверхвысокочастотных приборов и кварцевых элементов газоразрядных лазеров являются порошки металлов и соединений металлов с кислородом, азотом, углеродом и т.п.
Выбор путей получения высокочистых порошковых материалов и способов очистки основного материала от содержащихся в нем посторонних примесей невозможен без изучения физико-химических процессов, происходящих в порошках (дисперсных средах) при выводе из них примесей.
Ыа данный момент существует множество экспериментальных исследований, посвященных выводу нежелательных или загрязняющих основную порошковую массу веществ, в том числе электрическими, электромагнитными и магнитными способами. Однако до сих пор нет единого представления о природе особенностей вывода загрязняющих веществ из основного потока порошкообразного вещества в извлекающей и транспортной зоне многополюсных сепараторов с бегущим магнитным полем, хотя и считается, что этот способ является самым эффективным при сухой сепарации. Как правило, в ранее выполненных работах авторы при создании композиционных холодных катодов обеспечивали их долговременную устойчивость к ионно-
6
электронной бомбардировке за счет уникальных свойств добавок (бериллаты бария, алюмобериллаты литии и т.д.), характерных для веществ I класса опасности - бериллия, лития, тория, и не проводили глубоких исследований в направлении создания эмиттеров с аналогичными вторично-эмиссионными параметрами без их использования. Нет среди этих работ и целенаправленных обобщений техники очистки кварцевых песков для получения высокочистых отечественных кварцевых стекол.
Целью настоящей работы является изучение физических механизмов, обеспечивающих высокую чистоту твердых дисперсных сред в магнитном поле, и исследование параметров конструкционных материалов, полученных с их использованием.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести экспериментальные работы по созданию автоматизированной установки для синтеза интерметаллида Рс15Ва;
- выполнить экспериментальные исследования по изучению влияния магнитного поля на относительную степень очистки измельченного стальными шарами интерметаллида Рс15Ва и природного кварцевого песка;
- получить модельные образцы с использованием в шихте материалов, подвергнутых магнитной сепарации, и изучить их основные физические свойства;
- методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) в сочетании с методом рентгеиоспсктралыюго микроанализа (РСМА) исследовать структуру и состав композиционных Рс1-Ва катодов, полученных прессованием, спеканием в вакууме и прокаткой порошков;
- составить представление о физических механизмах формирования композиционных материалов с интерметаллидами на этапах уплотнения порошков и обеспечения вторично-эмиссионных свойств;
- предложить технологические схемы получения материалов для радиоэлектроники из дисперсных сред, подвергнутых очистке в магнитных по-
7
лях, созданных маг нитами пеодим-железо-бор (МРеВ) на примере разработки экологически безопасных композиций;
- провести измерение основных свойств модельных и экспериментальных образцов из кварцевого стекла и композиций с интерметалл идам и, сравнить их с результатами исследований других авторов, в том числе по структуре и параметрам, полученным для сплавных и композиционных эмигти-рующих материалов, разработанных без и с применением веществ 1-го класса опасности;
- осуществить работы по практическому внедрению выполненных экспериментальных исследований.
Объекты исследования: дисперсные твердые среды в виде порошкообразных БЮг и интерметаллидов Р<35Ва и конструкционные модельные и экспериментальные образцы на их основе или с их использованием.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
- в исследовании процесса взаимодействия дисперсных твердых сред с рабочей зоной магнитных барабанных сепараторов с многополюсной магнитной системой на основе постоянных магнитов ЫбКеВ в ее извлекающей и транспортных частях, где продукты сепарации подвергаются действию магнитных и механических сил, и в установлении оптимальных параметров выделения из основного потока кварцевого сырья и интерметаллидов Рб5Ва магнитных частиц при протекании сухой сепарации;
- в получении данных для реализации нового метода синтеза экспериментальною ингерметаллида РсРВа в вакууме путем выдержки палладия в расплаве бария и его паров, в разработке способа получения из него тонко-дисисрсного порошка с параметрами, удовлетворяющими технике изготовления композиционных вторично-эмиссионных материалов типа палладий-барий;
- в установлении пр и изучении микроструктуры модельных образцов композиционной ленты Рб-Рс15Ва методами растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа в комплексе с методикой
8
цветной катодолюминесценции важного фактора, заключающегося в том, что частицы интерметалл и да Рс15Ва в палладиевой основе распределены относительно равномерно вдоль исследуемой поверхности, что в значительной степени гарантирует обеспечение однородности вторично-эмиссионных свойств композиционных эмиттеров из РсН*2% (масс.) Ва;
- в разработке, с использованием порошков интерметаллидов Рс^Ва, экологически безопасных композиционных Рб-Ва лент и кольцевых эмиттеров с параметрами, удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к ним в вакуумных СВЧ-ириборах, и в получении магнитносепарированного кварцево-го сырья, пригодного для производства высокочистого кварцевого стекла.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Способ синтеза интермсталлида Рс15Ва в вакуумированных отпаянных вращающихся кварцевых ампулах путем выдержки порошкообразного палладия в расплаве и парах бария в течение 1... 1,5 часа при температуре 1170 К, с целыо получения слитка с химическим составом Рб2Ва и последующей его гомогенизацией в течение 20 минут при температуре 1570... 1590 К для получения стабильного соединения Рб5Ва.
2. Результаты экспериментального исследования процесса одностадийной магнитной сухой сепарации в виде монослойного потока частиц с наложением вибрации при выведении ферромагнитных загрязнений из размолотых слитков интермсталлида Рб5Ва и двухстадийного процесса сепарации кварцевого сырья: извлечение сильномагнитных примесей в слабом магнитном поле и слабомагнитных загрязнений в сильном.
3. Режимы получения композиционных образцов в виде колец и лент из смеси порошков палладия и порошкообразного интерметаллида Рс15Ва (до 2% масс. Ва) методом холодного прессования, спекания в вакууме и последующей холодной прокатки.
4. Уточненные вторично-эмиссионные характеристики системы Рб-Ва, композиционных изделий с интерметаллидом Рб5Ва, синтезированным в вакууме.
9
Достоверность результатов обеспечивается: применением апробированного технологического и аналитического оборудования, использованием широко известных экспериментальных методик исследований и расчетами погрешностей измерения, сравнением экспериментальных результатов и теоретических зависимостей с имеющимися надежными данными работ, выполненных другими авторами.
Практическая ценность диссертации заключается в том, что полученные экспериментальные результаты по существенному улучшению параметров (чистоты) дисперсных твердых систем методами магнитной сепарации и предложенный способ синтеза интерметаллидов в вакуумированных объемах с последующим измельчением и выводом из помола ферромагнитных примесей применены для изготовления композиционных РсШа-эмиттеров и высокочистого кварцевого стекла и могут быть полезными при создании новых и модернизации известных композиционных материалов не только в радиоэлектронике, но и в других отраслях промышленности при разработке экологически безопасных конструкционных материалов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 2-ой областной студенческой конференции (Калуга, 2007г.), на Пой Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Ыаноинженерия» (Москва, 2008г.), на Всероссийских научно-технических конференциях «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Москва, 2007г., 2008г., 2009г.).
Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 9 изданиях, в том числе в 2 журналах из списка ВАК по физике.
Личный вклад автора: разработаны методики и режимы магнитной сепарации кварцевого сырья и порошков интермегаллидов Рс15Ва в магнитных сепараторах, созданных с участием автора; собраны автоматизированные экспериментальные установки для синтеза интермсталлидов Рё5Ва и для реализации процессов магнитной сепарации порошков; выполнены все аналити-
- Київ+380960830922