Влияние электрогидравлического удара на полупроводниковые и диэлектрические материалы и компоненты знакосинтезирующей электроники

СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Список сокращений...................................................... 5
Введение.............................................................. 6
Глава 1. Литературный обзор....................................... 11
1.1. Краткое описание процессов, протекающих в веществе под влиянием радиационного излучения, ультразвука, плазмы 11
1.1.1. Воздействие радиационного излучения на кристаллы 11
1.1.2. Физические основы активного воздействия ультразвука ... 12
1.1.3. Плазмохимические процессы.............................. 15
1.2. Элсктрогидравлический удар как интегральный вид экстремального воздействия................................ 16
1.2.1. Основные аспекты электрогидравличсского удара.......... 16
1.2.2. Электрические параметры разряда........................ 22
1.2.3. Образование ударных волн............................... 26
1.2.4. Кавитационные явления.................................. 31
1.2.5. Плазма разряда, ее свечение............................ 37
1.3. Изделия знакосинтезирующей электроники: особенности конструкции и применения.................................. 38
1.3.1. Вакуумно-люминесцентные индикаторы..................... 39
1.3.2. Жидкокристаллические индикаторы........................ 40
1.3.3. Общие конструктивные особенности изделий знакоснитезирующой электроники................................ 44
1.4. Выводы к главе 1 ........................................... 47
Глава 2. Экспериментальная часть. Оборудование и методы
исследования................................................. 48
2.1. Установка электрогидравлического удара...................... 48
2.1.1. Моделирование процессов в рабочем контуре установки ... 48
2.1.2. Схема и принцип работы установки....................... 53
2.2. Установка анализа атмосферы вакуумно-люминесцентных индикаторов...................................................... 62
2
2.3. Другое исследовательское оборудование, приборы и установки 68
2.4. Выводы к главе 2............................................ 70
Глава 3. Экстремальные воздействия на поверхность электродных
плат индикаторов и нанесенных полупроводниковых, диэлектрических и токопроводящих слоев....................... 71
3.1. Поверхность диэлектрических стеклянных электродных
плат индикаторов............................................. 71
3.1.1. Очистка поверхности стеклянных плат................... 71
3.1.2. Стеклянные электродные платы жидкокристаллических индикаторов................................................... 72
3.2. Диэлектрические пленки полиимидов........................... 78
3.2.1. Плазмохимичсскос воздействие на диэлектрические
пленки полиимидов....................................... 78
3.2.2. Ультрафиолетовое облучение диэлектрических полиимидных пленок............................................ 85
3.3. Многокомпонентные пленочные системы «полупроводник -диэлектрик - токопроводящее покрытие»............................. 87
3.3.1. Адгезионное взаимодействие в системе «ванадий -алюминий - стеклянная подложка»............................... 88
3.3.2. Кинетическая устойчивость и структура пленок
алюминия................................................ 89
3.3.3. Пленочная система «силикатное стекло-
алюминий - серебро»..................................... 92
3.3.4. Пленочная система «силикатное стекло-
алюминий - монооксид германия - люминофор».............. 94
3.3.5. Причина утечек в толстопленочных диэлектрических
слоях.................................................. 100
3.4. Воздействие электрогидравлического удара на фоторезист 101
3.5. Ультразвуковое воздействие на расплавы в капилляре электродных плат................................................. 103
3.6. Использование электрогидравлического эффекта для обработки растворителей, применяемых в очистке поверхности компонентов индикатора........................................... 107
3
3.7. Выводы к главе 3........................................... 115
Глава 4. Влияние экстремальных воздействий на порошковые
диэлектрические композиции изделий знакосинтезирующей электроники................................................. 119
4.1. Калибраторы межэлектродных зазоров......................... 119
4.2. Порошковые наполнители для герметиков электродных
плат индикаторов.......................................... 130
4.2.1. Цементы.............................................. 130
4.2.2. Вяжу щие композиты на основе системы CaO-SiOj-bTO.... 139
4.2.3. Низкоплавкие стеклопорошки паст трафаретного нанесения................................................... 143
4.3. Выводы к главе 4........................................... 149
Глава 5. Экстремальные воздействия на активные материалы в
вакуумно-люминесцентных индикаторах........................ 153
5.1. Некоторые конструктивно-технологические принципы изготовления вакуумно-люминесцентных индикаторов................ 153
5.2. Остаточная атмосфера в вакуумно-люминесцентных
индикаторах................................................. 156
5.3. Анализ остаточной атмосферы в камере магнетронного распыления ІТО-пленок........................................... 174
5.4. Влияние экстремальных воздействий на параметры люминофора...................................................... 177
5.5. Влияние экстремальных воздействий на характеристики оксидного катода........................................ 184
5.5. Выводы к главе 5........................................... 197
Заключение.......................................................... 201
Выводы по работе.................................................... 203
Список литературы................................................... 206
Приложения.......................................................... 213
4
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
В ЛИ - вакуумно-люминесцентный индикатор
В1! - высокочастотный
ГСК - гидросиликат кальция
ЖК - жидкий кристалл
ЖКИ - жидкокристаллический индикатор
ИК - инфракрасный
КМ - композиционный материал
НВК - низковольтная катодолюминесценция
ОК - оксидный катод
УЗ - ультразвуковой
УФ - ультрафиолетовый
ЭВ - экстремальное воздействие
ЭГУ - электрогидравлический удар
ЭГЭ - электрогидравлический эффект
ЭВП - электровакуумный прибор
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Развивающиеся в России рыночные отношения приводят не только к перестройке системы управления промышленностью, но и к поиску- новых, часто нетрадиционных путей совершенствования материальной базы и технологии производств различных изделий, в том числе, и для нужд электронной техники.
На рубеже Х1Х-ХХ вв. крупнейшие открытия в области физики и химии, появление принципиально новой экспериментальной техники и исследовательской базы способствовали возникновению нетрадиционных научных направлений, относящихся к радиационной физике, плазмохимии, воздействию на вещество мощных электромагнитных и механических полей, сверхвысоких давлений и температур и т.д.
Как отмечалось в (1], «...если рассматривать все эти типы воздействия с позиции взаимодействия вещества с элементарными частицами или полем (понимая его расширенно как непрерывную среду - носитель какого-либо вида энергии), то все их многообразие можно представить в виде «блоков», объединенных в общем научном направлении под названием «Физика и химия экстремальных воздействий».
Конечно, такое деление по одному макроскопическому свойству достаточно условно, так как «блоки» часто содержат в себе условия воздействия соседних «блоков» (например, ультразвуковые (УЗ) колебания сопровождаются возникновением электромагнитных полей, а высокие давления сильным механическим сжатием и т.д.). Тем не менее, в экспериментах можно целенаправленно выделить одну или несколько доминирующих составляющих экстремального воздействия, которые могут радикально изменить физико-химические свойства и технические характеристики материала.
Несмотря на различные механизмы передачи энергии молекулам и атомам вещества (соударения частиц вещества со сверхтепловыми скоростями; неупругое взаимодействие с электронами, ионами, нейтронами; поглощение и рассеяние фотонов; взаимодействие с сильными электрическими и магнит-
6
ными полями, ядсрные реакции и т.д.) обшим критерием экстремальности воздействия может служить образование промежуточных высокоактивных состояний частиц вещества, что в итоге приводит к качественному изменению микро- и макрохарактеристик обрабатываемого объекта, появлению новых свойств [2].
В вязи с этим целью работы явилось установление механизмов изменений физических и физико-химических свойств полупроводниковых, диэлектрических и токопроводящих материалов и компонентов изделий знакосинтезирующей электроники под влиянием электрогидравлического удара (ЭГУ) и других экстремальных физических воздействий (плазменная, ультразвуковая, у-обработка).
Учитывая, что внутренняя (внутриламповая) газовая атмосфера оказывает принципиальное воздействие на параметры приборов и может существенно повлиять на обсуждение экспериментальных данных, в работе также уделено внимание вопросам газоотделения.
Поэтому в задачу исследований входило:
1) разработка теоретических аспектов и исследование механизмов воздействия электрогидравлического удара как интегратьного эффекта (механическая, ультразвуковая, плазменная, ультрафиолетовая составляющие) на полупроводниковые и диэлектрические материалы и компоненты знакосинтезирующей электроники;
2) создание высокоэффективного экспериментального оборудования, прежде всего, для реализации эффекта электрогидравлического удара и исследования внутриламповой атмосферы изделий знакосинтезирующей электроники;
3) осуществление комплексных экстремальных воздействий на полупроводниковые, диэлектрические и токопроводящие компоненты индикаторов (монооксид германия, диэлектрические пасты и герметики, люминофоры, покрытие оксидного катода, поверхность стекла электродной платы, диэлек-
7
трические ориентирующие полиимидныс композиции, диэлектрические калибраторы и т.д.);
4) анализ газовыделения в вакуумно-люминесцентных и жидкокристаллических индикаторах (до и после интенсивной обработки), как основного фактора, влияющего на конечные параметры приборов в целом;
5) внедрение результатов работы в производство изделий знакосинтези-руюшей электроники и учебный процесс университета.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
1) динамика напряжения и во внешнем контуре установки электрогид-равлического удара определяется состоянием низкотемпературной плазмы в канале электрического разряда в жидкости, что позволяет связать наблюдаемую переменную и с характеристиками элсктрогидравлического воздействия (давлением на фронте ударной волны, поперечным сечением канала разряда, температурой и концентрацией частиц);
2) экспериментально установленные закономерности изменения физических характеристик и технических параметров (величины адгезии, состояния поверхности, электрических и ориентационных свойств, гранулометрического состава и т.д.) полупроводниковых, диэлектрических и токопроводящих материалов и компонентов изделий знакосинтезирующей электроники под действием элсктрогидравлическою удара согласуются с результатами их обработки плазмой, ультразвуком, ультрафиолетовым, а также у-излучением;
3) в результате механико-эрозионною воздействия кавитирующего расплава металла или диэлектрика на поверхность торцов капилляра (величина зазора сравнима с характерными размерами кавитационных пузырьков - до 40 мкм) электродных плат индикаторов в интенсивном ультразвуковом поле (как составляющей электрогидравлического удара) происходит введение расплава в капилляр с достижением молекулярного контакта между последним и поверхностными слоями электродной платы;
4) в пленочной системе «диэлектрик/полу проводник ОеО/Се - металл А1» наблюдается эффект рекристаллизации а -ве на поверхности пленки
8
алюминия (при температуре ниже эвтектической для системы А1-Се), обусловленный контактным плавлением в зоне гетерограницы в ходе экзотермической реакции восстановления алюминием германия из его диоксида. Выделяющийся в пленочной систсмеа -Се приводит к снижению ее устойчивости, прогрессирующему под действием электрогидравлического удара.
Достоверность полученных результатов достигается использованием современного научно-исследовательского оборудования, применением для расчетов и анализа статистических методов и компьютерной техники, реальными испытаниями изделий в условиях мало- и крупносерийного производства индикаторов и их отдельных узлов, в частности, на ОАО «Рефлектор» и в НИИ «Волга».
Таким образом, научная новизна работы состоит в том, что впервые в прикладной физике полупроводников и диэлектриков применительно к изделиям знакосинтезирующей электроники комплексно рассмотрено влияние эффекта электрогидравлического удара, а также приводятся данные по влиянию других экстремальных физических воздействий (плазменная, ультразвуковая, ультрафиолетовая и у-обработка) на характеристики исследуемых полупроводниковых и диэлектрических материалов и компонентов.
При этом необходимо отметить, что электрогидравлический эффект в данном контексте работы вообще не рассматривался и литературных данных по этому вопросу практически нет. Важным, на наш взгляд, является и то обстоятельство, что в работе приведена разработанная достаточно унифицированная и универсальная установка электрогидравлического удара, создающая предпосылки для проведения дальнейших исследований влияния данного эффекта на физико-химические свойства различных материалов.
Систематизирован имеющийся теоретический и полученный в ходе исследований экспериментальный материал по остаточной внутриламповой атмосфере в индикаторных приборах, поскольку сведения о ее составе и динамике носят фрагментарный характер.
9
Практическая значимость работы определяется внедрением результатов в производство индикаторов на ОАО «Рефлектор», в НИИ знакосинтезирующей электроники «Волга», учебный процесс кафедры технической химии Саратовского государственного университета [4, 5], о чем имеются соответствующие акты внедрения.
Личным вклад автора определяется его непосредственным участием в проведении экспериментов, разработкой экспериментального оборудования, математической обработкой и обсуждением полученных данных, написанием соответствующих разделов в коллективной монографии и публикациях выступлениями на конференциях различного уровня.
Говоря об апробации работы, необходимо отметить следующее. Результаты диссертации были доложены на конференциях различного уровня, в частности, на 4th International Conference on Actual Problems of Electronic Instalment Engineering, Novosibirsk, 1998; II Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии», Саратов, 1999; Международной конференции «Современные технологии в образовании и науке. Высшая школа-99», Саратов, 1999; VIII International Symposium on Advanced Display Technologies, Noviy Svit, Ukraine, 1999.
По представленной диссертации опубликовано: коллективная монография*, 7 статей, 1 депонированная рукопись и 6 тезисов докладов, ссылки на которые приведены в работе.
Объем и структура диссертации: диссертация состоит из введения, литературного обзора, четырех глав основного текста, выводов, изложена на 220 листах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 23 таблицы, приложения; список литературы включает 112 наименований.
* Севастьянов В.П., Ракитин С.А. Экстремальные физические воздействия в технологии производства изделий знакоеннтезнрующей электроники. - Саратов: Изд-во СГАП, 1999.-240 с.
10
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Как отмечалось во Введении, экстремальные воздействия (ЭВ) позволяют радикально менять физико-химические свойства обрабатываемых материалов. Благодаря своим уникальным свойствам, многие виды ЭВ (ионизирующее излучение, ультразвук, плазменная обработка и др.) нашли широкое применение в различных отраслях электронной промышленности |6-8|.
Поскольку указанные методы обработки применительно к материалам различной природы исследованы и описаны в большом числе работ, например [7-13], мы ограничимся в данном обзоре краткой характеристикой процессов, имеющих место при воздействии на вещество радиационного излучения, ультразвука и плазмы. Гораздо менее известен еще один вид интенсивной обработки - электрогидравлическнй удар, теоретические аспекты которого будут рассмотрены нами более подробно.
1.1. Крат кое описание процессов, протекающих в веществе под влиянием радиационного излучения, ультразвука и плазмы
1.1.1. Воздействие радиационного излучения на кристаллы
К радиационным излучениям относят потоки частиц (электронов, позитронов, нуклонов, ионов) или фотонов (у-кванты, рентгеновское излучение) с энергиями от десятков кэВ до сотен МэВ. Не претендуя на полноту изложения. мы ограничимся рассмотрением только у-квантов с энергиями ~1 МэВ, взаимодействующих с кристаллическими веществами, что непосредственно связано с материалом, изложенным в основных главах работы.
При таких энергиях у-квантов взаимодействие их с атомами вещества сводится к фотоэлектрическому эффекту и неупругому (комптоновскому) рассеянию. Фотоэлектрический эффект представляет собой процесс поглощения у-кванта атомом вещества, при этом энергия передается одному из
электронов. Сечение фотоэлектрического эффекта сильно зависит от заряда
11
ядер вещества 1 и энергии квантов [9]. С ростом заряда ядра сечение фотоэффекта увеличивается пропорционально /Г, где п меняется от 4 до 5.
При возрастании энергии у-кванта Е сечение фотоэффекта уменьшается как \!Е (для £>0,5 МэВ). Таким образом, учет фотоэффекта важен для тяжелых веществ и малых энергий квантов.
Комптоновское рассеяние сводится к неупругому взаимодействию у-кванта с электроном атома вещества. При этом квант может рассеяться на некоторый угол 0. передавая электрону часть своей энергии. Связь между углом рассеяния 0 и энергиями у-кванта до и после рассеяния
а' =----------- , (1.1)
І + аО-сояб) 4
где а - энергия падающего, а - рассеянного кванта в единицах энергии но-
коящегося электрона тес2 = 0.5 МэВ.
Сечение комптоновского рассеяния а* зависит от энергии у-кванта [10]
а.(а) = л/;;
сг-2а-2. Л2+8а + 9а2 + а3
5 In (1 + 2а) + 2----------------
(1.2)
а а (1 + 2а)
Суммарное сечение с учетом указанных эффектов а = <yv + аА влияет на
вероятность того, что у-квант провзаимодействует с веществом на единице длины.
Передача энергии радиационного излучения атомам и электронам кристалла приводит к тому, что часть возбужденных атомов и электронов не возвращается на первоначально занимаемые ими места, а локализуется в иных участках кристалла. Избыточный атом или ион, недостаток узла кристаллической решетки составляют первичные радиационные дефекты, дальнейшая эволюция которых определяется тепловыми процессами.
1.1.2. Физические основы активного воздействия ультразвука
Под ультразвуком понимают волны с частотой выше 20 кГц. Максимальные частоты УЗ колебаний достигают 10 ТГц (в кристаллах), что уже
12
сравнимо с частотами тепловых колебаний молекул и атомов твердой фазы
[П].
В зависимости от интенсивности УЗ колебания деля г на высоконнтен-сивныс (более 10 Вт/см2), конечных амплитуд и малой интенсивности (менее 0,5 Вт/см2).
Интенсивность УЗ колебаний /, определяется как
рг. (1.3)
где £„ - амплитуда смещения частиц среды; о> - циклическая частота колебаний; р - плотность среды; с - скорость звука в среде. Как видно из (1.3), увеличивая частоту колебаний, можно получить значительные интенсивности ультразвука, прежде всего, в средах с высокой плотностью (жидкостях и твердых телах).
Активное воздействие ультразвуковой энергии высокой интенсивности вызывает в рабочей среде ряд эффектов, которые можно классифицировать следующим образом.
1. Генерирование и передача тепла. При распространении ультразвука в любой среде неизбежны потери энергии, связанные с ее преобразованием в тепло. Дополнительное тепловыделение оказывает влияние на различные процессы, происходящие в веществе.
2. Кавитация. Большая часть процессов в жидкое гях сопровождается явлением ультразвуковой кавитации и возникновением акустических течений. Кавитация приводит к эрозии материалов, а в сочетании с другими эффектами обусловливает реализацию процессов диспергирования, гомогенизации, эмульгирования, интенсифицирует диффузию и ускоряет другие физикохимические процессы [7|.
3. Акустические течения. Под акустическими течениями понимают стационарные вихревые микро- и макропотоки жидкости, возникающие в УЗ поле. При колебании воздушного пузырька вблизи поверхности твердого те-
13
ла создаются характерные микропотоки, воздействующие на технологические процессы в жидкостях [7, 12].
4. Химические эффекты. УЗ энергия влияет на химические реакции, ускоряя их (прежде всего оксидирование, полимеризацию, деполимеризацию, электрохимические и другие процессы).
5. Механические эффекты. Высокий уровень знакопеременных налря жений. создаваемых при УЗ колебаниях в твердых телах, может приводить развитию усталостных явлений и разрушению. Интенсивные колебания двух соприкасающихся поверхностей твердых тел приводят к генерации тепла создают упругие деформации и вызывают другие эффекты, которые исполь зуются и ряде технологических процессов применения ультразвука, напри мер при УЗ сварке. В жидкостях давления, создаваемые при захлопывании кавитационных пузырьков, вызывают интенсивную механическую эрозию поверхности материалов. Эти эффекты широко используются для удаления с поверхности материалов различных нежелательных пленок и загрязнений, для ускорения реакций, процессов диспергирования, гомогенизации и других целей [12].
6. Диффузионные эффекты. УЗ энергия интенсифицирует и ускоряет процессы диффузии через стенки клеток, пористые мембраны и фильтры. Интенсивное перемешивание жидкости под действием кавитации и акустических течений приводит к тому, что эффективная толщина пограничного слоя на поверхности раздела «жидкость - твердое тело» у меньшается, а скорость диффузии возрастает [11].
7. Капиллярные эффекты. Эти эффекты способствуют ускоренному и более совершенному проникновению жидкостей и жидких металлов в пористые и другие неоднородные материалы. Под действием УЗ энергии значительно повышаются скорость и уровень подъема жидкости в гонких капиллярах [7].
14
1.1.3. Плазмохимические процессы
Плазмохимические процессы протекают в низкотемпературной плазме (103...2-104 К) при давлении 10 '’...10' атм, а также в неравновесной плазме, искусственно получаемой в плазматронах. Взаимодействие между реагентами в плазме приводит к образованию конечных продуктов, которые могут выводиться из состояния плазмы путем быстрого охлаждения (закалки). Основной особенностью плазмохимических процессов является то, что в плазме образуются в значительно больших концентрациях, чем при обычных условиях проведения химических реакций, многие реакционноспособные частицы - возбужденные молекулы, электроны, атомы, атомарные и молекулярные ионы, свободные радикалы (образование некоторых из таких частиц возможно только в плазме), которые обусловливают новые типы химических реакций 181.
Плазмохимические реакции протекают, как правило, в неравновесных условиях, когда подсистемы единой реагирующей многокомпонентной системы могут иметь различные поступательные температуры, значительно различаются врашатсльная. колебательная и электронная температу ры, нарушается больцмановская заселенность энергетических уровней и т.п. Неравно-вескость может быть обусловлена различными физическими воздействиями - электромагнитного поля, быстропеременного давления, сверхзвукового истечения, а также самой химической реакцией, которая, буду чи пороговым процессом, уменьшает количество молекул, обладающих энергией, превышающей пороговую, изменяя тем самым вид функции распределения молекул по энергиям.
Механизмы плазмохимических реакций имеют ряд особенностей, обусловливаемых следующими факторами [131-
1. Реакции диссоциации, приводящие, в частности, к образованию свободных радикалов, могут быть лимитирующими стадиями. Эти реакции инициируются присутствующими в низкотемпературной плазме возбужденными и заряженными частицами, например, колебательно- и электронновозбужденными молекулами и электронами.
15
2. За счет Электронного удара ускоряются процессы колебательной релаксации и диссоциации молекул не только через основное, но и через электронно-возбужденные состояния. Влияние электронного удара становится определяющим в изотермической плазме при степенях ионизации свыше 10 \ а для плазмы с резко различающимися температурами электронов и тяжелых частиц - при любых степенях ионизации. При диссоциации и рекомбинации через электронно-возбужденные состояния возрастает значение нсадиабати-ческих переходов.
3. Диссоциация через электронно-возбужденные состояния является двухстадийным процессом: сначала происходит электронное возбуждение, а затем - диссоциация возбужденных соединений.
4. Существенную роль в диссоциации начинают играть ионномолекулярные реакции с участием электронно-возбужденных ионов.
1.2. Электрогидравлический улар как интегральный вид экстремального воздействия
1.2.1. Основные аспекты электрогидрав шчсского удара
Элсктрогидравличсский эффект (ЭГЭ) или эффект электрогидравличе-ского удара, наиболее полно описанный как самостоятельное физическое явление Л.А. Юткиным в его книгах [14, 15], - сравнительно новый высокоэффективный способ преобразования электрической энергии главным образом в механическую, совершающийся без промежуточных звеньев. Сущность ЭГУ состоит в том, что внутри объема жидкости специально сформированным импульсным электрическим разрядом (искровым, кистевым и других форм) вокруг области его образования направленно создаются сверхвысокие гидравлические давления, приводящие к возникновению первичной ударной волны, а также наблюдается ряд вторичных эффектов [14, 16].
В основе ЭГУ лежит ранее неизвестное явление резкого увеличения гидравлического и гидродинамического эффектов и амплитуды ударною
воздействия импульсным электрическим разрядом в жидкости при условии максимального уменьшения длительности импульса, максимально крутом его фронте и форме, близкой к апериодической.
Длительность импульса тока при ЭГУ измеряется в микросекундах, поэтому мгновенная мощность импульса может достигать сотен тысяч киловатт.
Крутизна фронта импульса тока А, определяет скорость расширения канала разряда. При подаче напряжения на разрядные электроды А, достигает 10... 100 кА. Все это обусловливает резкое возрастание давления в жидкости, вызывающее в свою очередь мощное механическое действие разряда.
Высокие и сверхвысокие импульсные гидравлические давления являются основными действующими факторами ЭГУ и приводят к:
появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями; возникновению инфра- и ультразвуковых колебаний, интенсивных тепловых, световых, ультрафиолетовых, а также рентгеновских излучений, мощных электромагнитных полей;
возникновению механических резонансных явлений с амплитудами, позволяющими осуществлять взаимное отслаивание друг от друга многокомпонентных твердых тел;
многократной ионизации соединений и элементов, содержащихся в жидкости.
Энергетический баланс по отдельным составляющим ЭГУ приведен в табл. 1.1 [17], причем КПД процесса (отношение энергии, выделившейся в разряде, к энергии, накопленной в конденсаторе) достигает уровня 60...70 %.
Все перечисленные факторы оказывают на жидкость и помешенные в нее объекты разнообразные физико-химические воздействия. Ударные перемещения жидкости вблизи области разряда, возникающие при развитии и схлопывании кавитационных полостей, способны разрушать неметаллические материалы и вызывать пластические деформации металлических объектов.
17
Таблица 1.1
Распределение энергии разряда по составляющим электрогидравлического удара
Составляющая электрогидравлического удара Доля в энергетическом балансе, %
Импульс сжатия (механический удар) 15...20
Формирование кавитационных пузырьков в расходящихся потоках жидкости 20...25
Формирование электрического пробоя 5...7
Потери за счет теплопроводности 5...7
Потери в электрической цепи 12...15
Внутренняя энергия в жидкости (кавитационном пузырьке), не успевшая рассеяться из-за большой скорости расширения парогазового пузырька 18...25
Потери на излучение, из них: УФ диапазон видимая часть спектра ИК диапазон 10 91 8 около 1
Мощные инфра- и ультразвуковые колебания: диспергируют уже измельченные материалы;
вызывают резонансное разрушение крупных объектов на отдельные кристаллические частицы;
осуществляют интенсивные химические процессы синтеза, полимеризации, обрыва сорбционных и химических связей.
Электромагнитные поля разряда также оказывают мощное влияние как на сам разряд, так и на ионные процессы, протекающие в окружающей его жидкости. Под их воздействием могут происходить разнообразные физические и химические изменения в обрабатываемом материале.
Высоковольтные искровые разряды легко возникают только в диэлектрических жидкостях, а в жидкостях с ионной проводимостью происходят лишь в случаях очень малой длины искрового промежутка и всегда сопро-
18
вождаются обильным газо- и парообразованием [18]. При этом механическое воздействие среды на объекты, помещенные вблизи канала разряда в жидкостях с ионной проводимостью, крайне незначительно, что обусловлено низким давлением внутри парогазового пузыря, возникающего вокруг зоны разряда. Создающиеся в жидкости гидравлические импульсы имеют пологий фронт и значительную длительность протекания, при этом обладая небольшой мощностью. Резкого усиления действия гидравлических импульсов можно добиться при подаче тока на рабочий промежуток в виде короткого импульса при помощи мгновенного ударного подключения накопителя энергии.
В [14] с этой целью в электрическую схему вводится формирующий воздушный искровой промежуток (рис. 1.1, я), что позволяет в жидкостях с ионной проводимостью изменить характер искрового разряда, резко усилить его механические действия, а именно:
накапливать заданное количество энергии с импульсной подачей ее на рабочий промежуток;
значительно сократить длительность импульса и предотвратить возникновение колебательных процессов;
создавать крутой фронт импульса; исключить возможность перехода к дуговому разряду; получить при заданном основном межэлсктродном промежутке любые из допустимых для используемого источника питания значения тока и напряжения;
регулировать длину формирующего промежутка;
изменять форму импульса и характер разряда на рабочем промежутке в жидкости.
Именно формирующий промежуток создает импульс тока, позволяя перейти к напряжениям гораздо большим, чем напряжение пробоя рабочего промежутка в жидкости.
19
Также была предложена схема с двумя формирующими промежутками, представленная на рис. 1.1, 6. Введение второго воздушного искрового промежутка способствует повышению крутизны фронта импульса, а также делает установку более безопасной.
В зависимости от мощности разрядных импульсов выделяют три основных режима работы установки ЭГУ, которые представлены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Характеристика режимов работы установки ЭГУ
Тип режима Напряжение б'о, кВ Емкость С, мкФ
мягкий <20 г 1,0
средний 20 < (У < 50 0,1 <,С< 1,0
жесткий £ 50 <0,1 |
Говоря об особенностях ЭГЭ, необходимо отметить его принципиальное отличие от технологии электроискровой обработки металлов, которое заключается не только в полном несоответствии электрических схем, физических процессов и энергетических параметров, но так же и в том, что при ЭГУ механическое воздействие на объект осуществляется не самим разрядом, а косвенно - средой, в которой он возникает.
При электроискровой обработке металлов используется линейное (по направлению разряда) тепловое воздействие импульсных разрядов при значительно меньших напряжениях и длительности. Электрогидравлнческий метол основан, на радиальном (перпендикулярном к направлению разряда) механическом действии расширяющегося каната высоковольтного импульсного разряда на окружающую жидкую среду, передающу ю это действие на обрабатываемый объект. Таким образом, при ЭГУ тепловое воздействие на объект отсутствует, а механическое осуществляется через жидкую среду, без непосредственного электрического контакта.
20