автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Повышение термических и механических характеристик ферритометаллических узлов электровакуумных приборов

На правах рукописи

КУЦ ЛЮБОВЬ ЕВГЕНЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРРИТОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005047281

Саратов 2012

005047281

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель -

Официальные оппоненты

Ведущая организация -

кандидат технических наук, доцент Жевалев Олег Юрьевич

Царев Владислав Алексеевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Электронные приборы и устройства»

Неганов Валерий Алексеевич кандидат физико-математических наук, ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», начальник лаборатории

СФ ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН (г. Саратов)

Защита состоится «05» июня 2012 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу:

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Автореферат разослан « 0 Ц » мая 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета | ///ыШл/*уО ДИМПТРЮК А.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В различных устройствах радиоэлектроники широко используются ферритовые устройства, такие как вентили, циркуляторы, фазовращатели и т.д. Применение ферритов в СВЧ приборах обусловлено сочетанием высокого удельного электрического сопротивления с разнообразными магнитными свойствами. Обычно ферритовые устройства, являющиеся пассивными элементами, изготавливаются и испы-тываются отдельно от активных электровакуумных приборов СВЧ (генераторов или усилителей О- и М-типов), в которых они применяются.

Наиболее существенный вклад в проектирование и исследование ферритовых приборов СВЧ диапазона внесли: Б.М. Лебедь, Ю.Н. Афанасьев, Н.Д. Урсуляк, М.В. Вамберский, Ю.М. Яковлев, В.Н. Богомолов,

A.A. Димитрюк, P.A. Семенов, Э.И. Меркин, В.И. Казанцев.

В последние годы в практике конструирования таких приборов заметен переход к так называемым «комплексированным изделиям» - устройствам, в которых ферритовые узлы являются неотъемлемой частью металлического корпуса активного прибора. Для крепления ферритовых узлов (как правило, выполненных из феррогранатов и феррошпинелей) с корпусом могут использоваться технологии склеивания, низко- и высокотемпературной пайки и диффузионного соединения.

При выборе того или иного способа соединения феррита с металлом необходимо прежде всего обеспечить сохранность свойств феррита при высокотемпературном режиме откачки ЭВП, а также требуемую теплопроводность ферритового узла и прочность его крепления на корпусе прибора при последующей эксплуатации. Для этих целей наиболее подходит диффузионный способ соединения ферритометаллических узлов (ФМУ), так как клейка и пайка не всегда могут обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики изделий из-за коррозии и процессов старения материалов.

Наиболее существенный вклад в разработку технологии диффузионных методов соединения ФМУ применительно к приборам СВЧ внесли:

B. Конюшков, В.А. Неганов, Н.М. Котина, Е.А. Томнльцев, О.Ю. Жевалев.

Вследствие сложности разнообразных физико-механических процессов, протекающих при диффузионном соединении, требуется разработка обобщенного технологического процесса с учетом большого числа влияющих факторов, включая типоразмер и марку феррита. Очевидно, что только экспериментальным путем решить эту проблему невозможно. Поэтому при создании комплексированных приборов СВЧ с ФМУ важную роль приобретают компьютерные методы моделирования процесса диффузионного соединения

В настоящее время развитие компьютерной техники и комплексного программного обеспечения (пакеты Mathcad, Matlab, Ansys, SolidWorks и

т.д.) с использованием относительно новых методов искусственного интеллекта - нейронных сетей - позволяют создавать различные расчетные модели сложных технических объектов, в том числе и модели технологических процессов. Однако для моделирования процесса диффузионного соединения такие методы пока не использовались, а сами модели физико-химических процессов носили качественный характер. Разработка более совершенных математических моделей и оптимизация параметров технологического процесса на основе метода нейронных сетей позволит определять для него оптимальные режимы и параметры, а его реализация на практике обеспечит повышение термических и механических характеристик феррнтометаллических узлов электровакуумных приборов

Целью работы является совершенствование технологии диффузионного соединения ферритов с металлами для повышения термических и механических характеристик ФМУ электровакуумных приборов на основе нейросетевого моделирования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

- проанализировать использование ферритовых материалов и методы изготовления ФМУ для электровакуумных приборов;

- исследовать температурные интервалы стабильности химического состава феррогранатов и феррошпинелей при их нагреве в вакууме на основе термодинамического анализа равновесного давления кислорода;

- исследовать зависимость прочностных свойств ферритов от их размеров на основе статистической модели Вейбулла;

- исследовать теплопроводность конструкций ФМУ, выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, при значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала, соответствующей максимально допустимой температуре эксплуатации 100-И 50 °С;

- разработать математическую нейросетевую модель технологического процесса диффузионного соединения ФМУ, учитывающую влияние большого числа факторов, включая типоразмеры ферритовых деталей, на прочностные свойства;

- исследовать с помощью разработанных математических моделей физико-химические особенности процессов диффузионного соединения ФМУ в вакууме при разных температурах для основных марок ферритов;

- определить оптимальные режимы, обеспечивающие для феррогранатов и феррошпинелей получение соединений с требуемыми характеристиками;

- провести совместно с разработчиками приборов СВЧ испытания конструкций ФМУ для ЭВП на термоциклические, вибрационные, динамические нагрузки, а также выходных параметров ЛБВМ со встроенными ФМУ.

Методы и средства исследований

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием дифференциальных уравнений теплопроводности, термодинамического анализа изменения энергии Гиббса для химических реакций образования моноферритов, уравнений вакуумной техники, статистической модели Вейбулла, нейросетевого моделирования, уравнений регрессии для определения прочности диффузионного соединения феррогранатов, компьютерного программного обеспечения (Ма(Ьсас1 и 5оНс!\Уогкз).

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Максимально допустимые температуры нагрева ферритов в вакууме без возникновения необратимых изменений их химического состава должны находиться в следующих пределах: для феррогранатов до 1436 иС; для никелевой феррошпинели - до 1042 °С; для магниевой феррошпинели -до 863 °С;

2. Разработанная нейросетевая модель диффузионного соединения феррограната 30СЧ6 с медью МОб адекватно отражает физико-химические процессы диффузионного соединения и позволяет определять значения технологических параметров требуемых для получения прочных (тсдв, 200-Г-650 кПа) ферритометаллических узлов с объемом ферритовых деталей от 0,3 до 2,5 см3.

3. Технологические параметры: Т=1005 °С; Р=1,7-104 кПа; 1=16,4 мин; скорость остывания ФМУ - ¥^=0,2 °С/с, обеспечивают получение прочных диффузионных соединений гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью МОб для ферритовых деталей с объемом 0,3 см3.

Научная новизна работы:

1.Определены температурные интервалы стабильности химического (фазового) состава феррогранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме МО"3 Па. Для феррогранатов - до 1436 "С. Для никелевой феррошпинели - до 1042°С. Для магниевой феррошпинели - до 863 "С.

2. Установлено, что в контакте феррошпинель-медь при нагреве в вакууме 103Па в интервале температур 900-И000°с образуется оксид С1ьО за счет выделения кислорода из объема феррита, который определяет прочностные свойства диффузионного соединения указанных материалов.

3. Аналитические модели теплопроводности ФМУ, выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, позволяют определить максимальные температуры их нагрева при заданных значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала (20-н30 Вт/см3) в зависимости от толщины ферритовых деталей. Показано, что теплопроводность диффузионных соединений на 8-И2% больше по сравнению с клеевыми соединениями.

4. Впервые разработана нейросетевая модель технологического процесса диффузионного соединения феррогранатов с медью, учитывающая размеры ферритов на основе статистической модели Вейбулла, и

обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 2004-650 кПа.

5. Найдены оптимальные режимы процесса диффузионного соединения гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью, обеспечивающие высокое качество соединения ФМУ.

6. Найдены новые конструктивные решения технологической оснастки требуемой для выполнения диффузионных соединений ФМУ, позволяющие сократить градиент температур на ферритовых деталях с 19-^35 до 5^-10 "С, что повышает скорость остывания с 0,08 до 0,12°С/с и сокращает операционное время на 1,2 часа (23%).

Практическая значимость:

• Разработаны и изготовлены ФМУ на основе феррогранатов марок ЗОСЧЗ, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 и гексаферрита марки 03СЧФ2В1. Оптимизирована конструкция многоместной технологической оснастки, позволяющая сократить операционное время выполнения диффузионного соединения на 23%.

• Разработана инженерная методика определения технологических параметров диффузионного соединения феррогранатов с медью на основе нейросетевых моделей.

• С помощью разработанного техпроцесса в НИИ «Алмаз» была создана и испытана первая в стране мощная широкополосная ЛБВМ дециметрового диапазона с ферритовым вентилем, встроенным в узел замедляющей системы прибора, результаты испытаний ЛБВМ приведены в актах внедрения.

• Разработанные режимы диффузионных соединений феррогранатов ЗОСЧЗ, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 с медью М06 используются в ЗАО НПК «Феррит-Квазар» при изготовлении ферритовых приборов.

• Материалы исследований внедрены в учебный процесс в виде материалов лекций и методических указаний к лабораторным работам по дисциплинам: «Материалы и элементы электронной техники» и «Технология материалов и изделий электронной техники», «Оборудование производства электронной техники».

Апробацпя работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 8-й, 9-й, 10-й Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Быстрозакапенные материалы и покрытия» (Москва, 2009, 2010, 2011), II Всероссийской НПК «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (Махачкала, 2010), V Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2011), XIII Международной НПК «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технической оснастки от нано- до макроуровня» (Санкт-Петербург, 2011), научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Санкт-6

Петербург, 2011), XVIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Судак, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ (в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 10 статей в научных сборниках.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке методик и компьютерных моделей, оптимизации конструкций технологической оснастки и разработке технологических процессов диффузионного соединения ФМУ с учетом размеров феррито-вых деталей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 55 наименований, приложения и актов использования результатов в производстве. Работа изложена на 117 страницах, содержит 43 рисунка и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведены положения, раскрывающие новизну, практическую ценность, цель и задачи исследований.

В первой главе на основе литературных данных приведены общие принципы использования ферритов в области сверхвысоких частот.

Обсуждены технологии склеивания, низко- и высокотемпературной пайки, диффузионного соединения для крепления ферритовых элементов на металлических корпусах приборов.

Рассмотрены типовые конструкции ферритовых приборов. Проанализировано влияние методов крепления ферритовых элементов на рабочие характеристики вентилей, циркуляторов и фазовращателей, а также совмещенных конструкций ферритовых элементов с электровакуумными приборами.

Выполнен анализ физических и технологических аспектов диффузионного соединения ферритов с металлами, рассмотрены вопросы влияния размеров ФМУ на их прочность, вопросы нейросетевого моделирования технологических процессов.

Определены задачи для дальнейших исследований.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям температурных интервалов стабильности химического (фазового) состава ферро-гранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме М0"3Па.

Выполнены термодинамические оценки возможных изменений химического (фазового) состава гадолиниевого феррограната, магниевой и никелевой феррошпинелей при нагреве до температур 900-;-1300 К в вакууме. Показано, что наиболее вероятным является изменение содержания кислорода, которое выражается следующими химическими реакциями.

<-> 3GdFeO

+ |Fe,04

MgFe20, =Mg0+|Fe304 +^02

NiFe204 = Ni0 + -Fe304 +-02 3 6

(1) (2) (3)

На основе положений термодинамики определены зависимости равновесного давления Ро2Для рассматриваемых реакций (рис. 1).

1дР0!. Па Пунктирная линия на гра-

i О -4 -8

-12

\ Ч

N X—

"Г \

\

i ] i 1 ч \ \

Рис. 1. Зависимости равновесного давления кислорода над ферритами

1 -Gd3 Fe5 0,2

2 - Mg Fe2 04 3 - Ni Fe2 О

фиках соответствует парциальному давлению кислорода (105 Па) в вакуумной камере при температурах выполнения диффузионного соединения.

Точки пересечения полученных зависимостей с этой линией показывают, при каких температурах возможны необратимые изменения химического состава (верхняя граница однофазной структуры) рассматриваемых ферритов за счет выделения кислорода. Для гадолиниевого феррограната (линия 1) - 1436°С (за пределами графика). Для никелевой феррошпинели - 1042 °С. Для магниевой фер-рошпинели (линия 2) — 863 (,С.

Так как температуры выполнения диффузионного соединения лежат в области ожидаемого выделения кислорода из феррошпинелей. Для проверки данного факта определялась масса выделившегося кислорода для феррошпинели марки 10СЧ8 в технологической камере вакуумной печи. Определялись изменения веса двух навесок феррита в процессе отжига при 1000 °С. Для навески массой 1,4707 г потери веса составили 0,0057 г, для навески 1,1030 г потери веса составили 0,0044 г (среднее значение потери веса — 0,00505 г, использовались весы ВЛР-2002). Потери веса навесками были полностью отнесены к потерям кислорода. Это обстоятельство позволяет предположить влияние выделившегося кислорода на его давление в контакте феррошпинель-медь по отношению к вакуумной атмосфере технологического оборудования.

На основании положений вакуумной техники была предложена методика расчета давления кислорода в контакте феррошпинель-медь для малого зазора между деталями. На рис. 2 представлена расчетная схема модели, расчетные формулы приведены в табл. 1. Выражение (4) исполь-

зовалось в расчетах для определения зависимости = Г (г) в зазоре между ферритовым и металлическим дисками при различных а и N.

Полученные зависимости приведены на рис. 3. Как видно из рисунка, изменение зазора в контакте от 2,5 до 10 мкм изменяет давление кислорода в контакте круглой формы при текущем значении радиуса 15 мм, от 2954 до 231 Па.

Рис. 2. Расчетная схема для определения давления кислорода в контакте феррит-металл

Таблица 1

Расчетные формулы для определения давления кислорода в контакте феррит-металл

т пп. а=--ИТ т-МБ т - время отжига, с; в - площадь поверхности образца, м2; Т - температура, К; И - универсальная газовая постоянная, Дж/К г-моль.

^ =(»-,+гм) < 2г™* г«,* На) = (г, +гм)а [2г>+т] а

ЦК- г* 2 1 N ) = Р Р Г1 гм а (4)

При металлографических исследованиях диффузионного соединения магний-хромовой феррошпинели с медью (рис. 4), выполненного при Т=1173 К, наблюдается тонкий слой новой фазы между ферритом и медью, отличающийся по цвету на нетравленых шлифах и по повышенной (по сравнению с исходными материалами) травимостью в 50%-м водном растворе НЫ03.

Ро2. Па

Рис. 3. Зависимость давления кислорода Рис. 4. Микрошлиф соединения феррит в контакте феррит-металл 10СЧ8 + медь МОб (х200)

С большой степенью вероятности данная фаза может быть идентифицирована как Си20, образующаяся за счет выделения кислорода из фер-рошпинели. Учитывая выявленные особенности поведения феррошпине-лей в условиях нагрева в вакууме, в дальнейшем они не рассматривались для ФМУ электровакуумных приборов.

Для оценки влияния значений поглощенной ферритами энергии СВЧ-сигнала на температуры ферритов, для ФМУ выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, предложена аналитическая модель их теплопроводности.

Расчетная схема упрощенной модели ФМУ приведена на рис. 5.

q/ — удельное значение теплового потока от ферритового элемента в воздух; Чг - удельное значение теплового потока от ферритового элемента к системе охлаждения через многослойный брикет; t„mx ~ максимальная температура в сечении

ферритового элемента; tc - температура свободной поверхности ферритового элемента; tс - температура поверхности ферритового элемента, соединенной с клеем, припоем, медной прокладкой при ДС; <5j - толщины слоев материалов; Я, - коэффициент теплопроводности соответствующих слоев материалов; хI, Х2 - расстояния от сечения ферритового элемента с максимальной температурой до соответствующих граничных поверхностей; с*ь а.г - коэффициенты теплоотдачи

Рис. 5. Расчетная схема упрощенной модели ФМУ

Расчеты проводились на основе дифференциального уравнения для одномерной стационарной задачи с учетом внутренних источников тепла:

Ъх Л

(5)

Можно показать, что для схемы, приведенной на рис. 5, решением данного уравнения будет:

д.. -

'тах - ,

¿■Ль

<7у '

2 • Л,.

, причем, х/+Х2= Зф.

(6)

Выполняя преобразования по формулам представленным в табл. 2, можем определить температуры и г„ш.

Задавая значения 8ф, ¿¡, Я/, а¡, а.2 можем определить значения г ,

'с,> 'та*-

Таблица 2

Расчетные формулы для определения температуры гг>и

-К. 41= > , =<7,.-*2 а. 6ф= Х/+Х2.

и ч>

^ _А1-5ф + Лу81+1ж.. -г,, А] + А1+2-А,8ф Х1=дф - Х'2 'с, = Л

'г, = Л1 Х2 'ш, ='г,+Л3 -х\

Для водяной системы охлаждения (предполагался турбулентный режим работы) задавались значения а/=10 Вт/м2оС, а2=5000 Вт/м2оС, д„ = 30 Вт/см3 , дф = 3 мм (расчет а/ и «2 не приводится). Результаты расчетов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Конструкционные размеры и максимальные температуры ФМУ

Вид соединения п слоя Материал слоев 5, мм Вт/м-°С Термическое сопротивление, м2-°С/Вт г °С при <?,.= 30-106 Вт/м3

Клеевое 1 Клей 1080+серебро 0,1 0,7 5,53-10"4 113,3

2 Сплав МД-40 2 67

3 АМг-6 5 117

4 Припой ПОС-61 0,2 50

Паяное 1 Припой ПОС-61 0,2 50 4,14-Ю"4 101,1

2 Сплав МД-40 2 67

3 АМг-6 5 117

4 Припой ПОС-61 0,2 50

Диффузионное 1 Медь МБ 0,5 380 4,1 МО"1 100,9

2 Сплав МД-40 2 67

3 АМг-6 5 117

4 Припой ПОС-61 0,2 50

Результаты расчетов показали, что значения рабочей температуры для паяного и сварного соединения являются практически одинаковыми, однако модель не учитывает возможные изменения теплопроводности клеевых соединений в результате старения или паяных соединений в результате коррозионных процессов. При малых уровнях поглощенной мощности СВЧ-сигнала различия температур ферритовых деталей в ФМУ выполненных любым способом соединения незначительны.

При возрастании уровня мощности СВЧ-сигнала становится заметным некоторое преимущество диффузионных соединений.

Для построения технологической модели процесса диффузионного соединения необходим учет размеров ферритовых элементов. Для этого использовалось соотношение, полученное на основании статистической модели Вейбулла:

УхЬг=(Уг/V,)"", (7)

где уиу2 - значения удельной прочности; У,,У2 - объемы ферритовых элементов; т - модуль Вейбулла.

В качестве размерного фактора в настоящей работе использовались значения объема ферритовых образцов в см3.

Вначале, для определения модуля ш, использовалась экспериментальная зависимость Ьсж в интервалах 0,3-1,25 см3.

Значения модуля Вебулла т определялось по формуле

т = \%(У^1)1\о(у11у,). (8)

Получено значение /л = 1,8. Затем указанная зависимость экстраполировалась (пунктирная линия) до значений размеров ферритовых деталей 2,5 см3 и использовалась для выбора допустимых значений усилий сжатия при разработке технологии диффузионного соединения ФМУ с различными размерами. Также строилась зависимость прочности на сдвиг диффузионных соединений феррограната 30СЧ6 с медью тсдв по трем экспериментальным точкам для объемов ферритов 0,3; 1,0; 1,5 см3 (рис. 6), которая также использовалась при разработке технологии диффузионных соединений ФМУ.

Получено значение «¡ = 3,0. Далее строился график тсдв для объемов ферритов в интервалах 0,3-2,5 см3 (рис. 6).

Таблица 4 Расчетные значения модуля ш

900 700 500

—

\

\сЬ —

'с.

' .1 1

0.5 Г0 15 2 25 см'

Осж

т VI, см' У2, см3 П, кПа У2, кПа

1,85 0,3 0.5 220 2 90

1,82 0.5 0.75 176 220

1,8 075 1,0 150 176

1,82 1,0 1,25 132 150

ТСДВ

2.95 0,3 | 1.0 432 650

3,16 1,0 | 1,5 380 432

Рис. 6. Зависимость асж и тсд, от размеров ферритовых образцов

Третья глава посвящена разработке нейросетевой модели технологического процесса диффузионного соединения феррогранатов с медью, учитывающей размеры ферритов на основе статистической модели Вей-

булла и обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 200-г650 кПа.

Основной идеей создания нейросетевой модели технологического процесса диффузионного соединения ФМУ являлось получение прочных диффузионных соединений при различных размерах ферритовых образцов. Для этого предложено регрессионное уравнение, справедливое, в отличие от известных уравнений, для различных марок феррогранатов:

у, =536,4+124,1.г, + 26,0х2 +19,8х3-23,0(лг,)2-31,0(х2)2-28,б(лг,)2, (9)

где у,- прочность на сдвиг тсдв, кПа диффузионного соединения; температура Т, °С выполнения диффузионного соединения; х2 - удельное давление РУд, кПа; л, - время I, мин изотермической выдержки при максимальной температуре.

В уравнении используются нормированные значения указанных параметров приведенные в табл. 5.

Таблица 5

Взаимосвязь нормированных и натуральных значений параметров

Нормированные Натуральные значения параметров

значения Т, °С Р,.д, кПа 1, мин

параметров (X/) (х2) ш

+ 1,682 1020 2,3-104 28

+ 1 970 2,0-104 23

0 900 1,6-104 15

-1 830 1,2-104 7

-1,682 780 0,9-104 1,5

Предварительные расчеты показывают, что в данном уравнении используются неоправданно широкие интервалы варьирования значений параметров, которые при своих минимальных значениях (-1,68) практически не обеспечивают получение прочных (с технологической точки зрения) диффузионных соединений. Кроме того, уравнение пригодно для ФМУ с объемом ферритовых деталей 0,3 см3 (10x10x3 мм).

Анализ режимов диффузионного соединения по уравнению 9 показал, что большие значения параметра хг приводят к разрушению ферритовых образцов с объемом ферритов более 1 см3. Кроме того, диапазон значений параметра хг (время выдержки при максимальной температуре) практически не оправдывает использование минимальных значений, например -1,682 (1,5 мин). Поэтому возникла необходимость сортировки используемых значений параметров х2 и Х} в зависимости от размеров ферритовых образцов. Анализ расчетных и экспериментальных данных позволил предложить следующие зависимости средних значений параметров и диапазонов их изменений в зависимости от объема ферритовых деталей (см3) - :

- для х2 = 0,5 - 0,857 • ; Ахг = -0,5 • х4 +1,85;

- для дг3 = 0,571 •; Дг, = 0,066 ■ л4 + 0,08.

В уравнениях использованы нормированные значения параметров и х} в соответствии с табл. 5.

Оценивая диапазоны изменений значений параметров л-2 и г, можно предположить, что параметр рационально зафиксировать на значении 1,5 - 1005 °С, так как большие значения могут приводить к расплавлению меди, а использование меньших значений приводит к резкому снижению значений прочности диффузионных соединений (см. уравнение (9)).

По уравнениям (9) и (7) в дальнейшем рассчитывалась база исходных данных для обучения нейронной сети в виде зависимости тсдв =/(х2, х3, х4) при фиксированных значениях х1.

Для рассматриваемой задачи была выбрана однослойная нейронная сеть прямого распространения. Для расчетов использовалась свободно распространяемая программа ЫеигоРго 0.25 (автор Царегородцев В.Г.). Получена нейросетевая модель, тестирование которой показало полное соответствие предсказанных значений исходной базе данных (60 значений) со средней ошибкой 25,96 кПа и максимальной ошибкой 53,08 кПа при значениях прочности тсдв (выходное поле), изменявшихся в интервалах 200^-650 кПа.

На основании полученной нейросетевой модели строились зависимости тСДЕ от х, при фиксированных значениях дг3 и х4, а также зависимости тсдв от при фиксированных значениях .г, и *3. Результаты приведены на рис. 7.

Х^О.Ш т.г кПа

уХ^ОЗ 600

Х.^ОЛ!

1X^1 500

Х.4К2

100

Хй -25 300

200

-05 00' 0.5 Х!

2.5

а б

Рис. 7. Расчетные зависимости тсдв по предсказаниям нейронной сети а - от удельного давления (х2); б - от размерного фактора (х4) По приведенным зависимостям выбирались параметры диффузионного соединения для бариевого гексаферрита марки 03СЧФ2В1 с медью М06 (для объема феррита 0,3 см3: Т=1005°С; Руя=1,7104 кПа; 1=16,4 мин), пунктирная линия на рис. 7, а. Получены экспериментальные диффузионные соединения, из которых изготовлены микрошлифы.

В четвертой главе разработана и оптимизирована конструкция технологической оснастки для получения диффузионного соединения крупногабаритных ФМУ.

Для сварки ФМУ с размерами ферритового элемента 030 мм, 11 = 5 мм, и 30x18x2,6 мм использовалась технологическая оснастка, представленная на рис. 8. В данной оснастке наблюдалось растрескивание феррито-вых деталей, особенно для нижнего набора деталей. Это обстоятельство привело к использованию весьма малых значений скорости остывания ФМУ (Уо=0,08 °С/с) при выполнении диффузионных соединений.

Проводился тепловой расчет конструкции рассматриваемой технологической оснастки в динамическом режиме численными методами, с помощью программного пакета БоНёХУогкБ.

1 -экран из молибдена:

2 -пуансон из молибдена;

3 -верхний упор из нержавеющей стали;

4 - основание из молибдена;

5 - подставка из нержавеющей стали;

6 -кольцо из керамики;

7 - медная прокладка;

8 - ферритовый элемент; .2-,

9 - диск из сплава МД-40Н

с медной прокладкой;

10 - центрирующая обойма;

1 1 - промежуточный диск из молибдена;

12 - прокладки из слюды;

1 3 - термопара; #

14 - керамическая пластина

Рис. 8. Схема технологической оснастки

Изменения мощности системы нагрева задавались изменением температуры на внешней поверхности экрана (рис. 8). Анализировалась температура на ферритовых деталях для верхней и нижней поверхностей, а также среднего сечения. Результаты расчета приведены на рис. 10, а, б, в, г для оснастки с молибденовым экраном с толщиной стенки мм. Анализ полученных результатов показывает, что ферритовая деталь нижнего набора находится в худших условиях по сравнению с верхним и средним наборами. Градиент температур в наихудшем (нижнем участке графика) составляет для феррита верхнего набора - 19 °С; среднего набора - 24 °С; нижнего набора - 35 °С. Скорость изменения температуры на нижнем феррите наибольшая (наблюдается резкий излом на графике). Учитывая обсужденные моменты, проводился поиск конструкции технологической оснастки уменьшающей или исключающей градиент температур на ферритовых деталях. Получены удовлетворительные результаты для конструкции, приведенной на рис. 9. Результаты расчета для данной конструкции приведены на рис. 10, д, е.

1 - экран из молибдена; 2 - пуансон из молибдена; 3 - кольцо из керамики;

4 - верхний и нижний упоры из нержавеющей стали; Вф - ферритовый диск в верхнем наборе деталей;

Сф - ферритовый диск в среднем наборе деталей;

Нф - ферритовый диск в нижнем наборе деталей

Рис. 9. Схема технологической оснастки

где Рис. 10. Зависимости изменения температур на ферритовых деталях в технологической оснастке рис. 9 (а - экран, б - верхний феррит, в - средний феррит, г - нижний феррит) и рис. 10 (д - верхний феррит, е - нижний феррит)

Видно резкое уменьшение градиентов температур на ферритовых деталях: для верхнего набора - 4 °С; нижнего набора - 8,5 °С. Существенно улучшена плавность изменения температур, что уменьшает риск разрушения ферритовых деталей.

В результате возможно использования больших скоростей нагрева для конструкции технологической оснастки приведенной на рис. 9. Предложено пропорциональное (по градиентам и скоростям охлаждения) увеличение скорости остывания до Уо=0,12 °С/с, что позволяет сократить операционное время выполнения диффузионного соединения на 1.2 часа (23%).

В пятой главе приведены результаты испытаний ФМУ различных размеров (0,3; 0,5; 2,5 см3) выполненных по технологическим параметрам,

определенным по разработанной нейросетевой модели диффузионного соединения.

ФМУ выдержали все термоциклические, вибрационные и динамические (одиночные удары) нагрузки, предъявляемые к ЭВП СВЧ (испытания проводились на ЗАО НПК «Феррит-Квазар»).

ФМУ, выполненные на основе диффузионного соединения, применялись при создании первых мощных широкополосных ЛБВМ дециметрового диапазона со встроенными ферритовыми элементами (рис. 11).

В процессе создании ферритового вентиля, встраиваемого в узел замедляющей системы ЛБВМ и имеющего значительную длину, для уменьшения остаточных напряжений в ферритах, вентиль изготавливался из нескольких коротких составных частей (рис. 12). Узлы крепятся к анодной крышке прибора пайкой медно-серебряным припоем .

Испытания в динамическом режиме ЛБВМ с ферритовым вентилем, встроенным в вакуумную полость, показали значительное улучшение выходных параметров прибора. Введение вентиля внутрь лампы наиболее благоприятно сказалось на устойчивости ее работы.

15

-

а)

Рис. 1 !. Конструкции малогабаритных ферритометаллических узлов. 1 - ферритовый элемент; 2 — прокладка из меди МБ; 3 - компенсатор термических напряжений из псевдосплава МД (медь + молибден)

Рис. 12. Фотография узла замедляющей системы ЛБВМ с ФМУ

Результаты испытаний приборов в динамическом режиме подтверждают преимущества разработки ЛБВМ с ферритометаллическим внутри-ламповым вентилем.

Заключение и основные выводы по работе

На основании выполненных исследований решена актуальная научная задача, заключающаяся в разработке технологии диффузионного соединения феррогранатов с медью для широкого диапазона размеров фер-ритовых деталей, которые могут использоваться в ферритовых и электровакуумных приборах.

1. Определены температурные интервалы стабильности химического (фазового) состава феррогранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме

МО"3 Па: для феррофанатов - до 1436 °С; для никелевой феррошпинели -до 1042°С; для магниевой феррошпинели - до 863°С.

2. Установлено, что в контакте феррошпинель-медь при нагреве в вакууме 103Па в интервале температур 900-И000 °С образуется оксид Си20 за счет выделения кислорода из объема феррита, который определяет прочностные свойства диффузионного соединения указанных материалов.

3. Учитывая выявленные особенности поведения феррошпинелей в условиях нагрева в вакууме, они не могут использоваться для изготовления ФМУ электровакуумных приборов.

4. Разработаны аналитические модели теплопроводности ФМУ выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, которые позволяют определить максимальные температуры их нагрева при заданных значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала (20Н-30 Вт/см3) в зависимости от толщины ферритовых деталей, а также показать, что теплопроводность диффузионных соединений на 8-г12% больше по сравнению с клеевыми соединениями/

4. Впервые разработана нейросетевая модель технологического процесса диффузионного соединения феррофанатов с медью, учитывающая размеры ферритов на основе статистической модели Вейбулла и обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 2004-650 кПа.

6. Изготовлены экспериментальные образцы диффузионных соединений гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью, при значениях технологических параметров (Т=1005°С; Р=1,7-104 кПа; 1=16,4 мин; объем ферритовых деталей - 0,3 см3; скорость остывания ФМУ Уос=0,2 °С/с), выбор которых осуществлен по разработанной нейросетевой модели для феррофанатов.

7. Методами численного моделирования (профаммный пакет ЗоИХУогкз) исследованы конструкции технологической оснастки для выполнения диффузионных соединений ФМУ, найдены конструктивные решения позволяющие сократить фадиент температур на ферритовых деталях с 19-^35 до 5-н10°С, что позволяет повысить скорость остывания с 0,08 до 0,12°С/с и сократить операционное время на 1,2 часа (23%).

8. Изготовлена и испытана первая в стране мощная широкополосная ЛБВМ дециметрового диапазона с ферритовым вентилем встроенным в узел замедляющей системы в НИИ «Алмаз», результаты испытания прибора изготовителем приведены в актах внедрения.

9. Разработанные технологии диффузионных соединений феррофанатов, ЗОСЧЗ, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 с медью М06 используются в ЗАО НПК «Феррит-Квазар» при изготовлении ферритовых приборов.

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Куц, JI.E. Влияние термовакуумной обработки на свойства ферри-товых материалов / Л.Е. Куц, О.Ю. Жевапев, Н.М. Котина, Г.В. Конюшков // Вакуумная техника и технология. - 2011. - Т. 21. -№2. -С. 74.

2. Куц, Л.Е. Создание механически прочных соединений металлов с различными видами ферритов / Н.М. Котина, О.Ю. Жевалев, Л.Е. Куц, Е.А. Донец // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2011. - №2 (56). Вып. 2. - С. 168-170.

3. Куц, Л.Е. Изменение свойств ферритовых материалов при нагреве в вакууме / Л.Е. Куц, О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина, В.Г. Конюшков // Вакуумная техника и технология. - 2011. - №4. Т. 21. - С. 237-238.

4.Куц, Л.Е. Особенности крепления ферритовых элементов на металлических корпусах радиоэлектронных приборов / О.Ю. Жевалев, Г.В. Конюшков, Л.Е. Куц // Антенны. - 2011. - №11. - С. 68-71.

В других изданиях

1. Куц, Л.Е. Проблемы диффузионной сварки гексаферритов с металлами / Л.Е. Куц, C.B. Семенов, О.Ю. Жевалев // Быстрозакаленные материалы и покрытия - 2009: сб. тр. 8-й Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. -М.: МАТИ, 2009. - С. 325-330.

2. Куц, Л.Е. Особенности анализа свариваемости металлосплавных двухфазных катодов мощных электровакуумных приборов при диффузионной сварке / C.B. Семенов, Л.Е. Куц, А.О. Жевалев // Быстрозакаленные материалы и покрытия - 2010: сб. тр. 9-ая Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - М.: МАТИ, 2010. - С. 330-336.

3. Куц, Л.Е. Анализ изменения давления кислорода в контакте феррит-металл в условиях процесса диффузионной сварки / Л.Е. Куц, А.О. Жевалев, Н.М. Котина // Быстрозакаленные материалы и покрытия - 2010: сб. тр. 9-й Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - М.: МАТИ, 2010. -С. 326-329.

4. Куц, Л.Е. Теплопроводность сварных, паянных и клеевых соединений для феррито-металлических узлов / Н.М. Котина, Л.Е. Куц, А.О. Жевалев, В.Г. Конюшков // Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты: материалы П Всерос. науч.-практ. конф - Махачкала: Изд-во Дагестан. ГТУ, 2010. - С. 28-31.

5. Куц, Л.Е. Вакуумная установка для диффузионной сварки мета-лоферритовых узлов / К.А. Романченко, Н.И. Кузнецов, О.Ю. Жевалев, Л.Е. Куц // Вакуумная техника и технология: материалы V Рос. студ. науч.-техн. конф. - Казань: Изд-во КГТУ, 2011. - С. 132-133.

6. Куц, Л.Е. Вакуумно-термическое воздействие параметров диффузионной сварки на магнитные свойства ферритов / К.А. Романченко, Н.И. Кузнецов, О.Ю. Жевалев, Л.Е. Куц И Вакуумная техника и технология: материалы V Рос. студ. науч.-техн. конф. Казань: Изд-во КГТУ, 2011. - С. 44-45.

7. Куц, JT.E. Разработка вакуумного оборудования со световым нагревом для пайки и диффузионной сварки деталей и узлов машин / Н.М. Котина, JI.E. Куц, В.В. Вязовский, А.Г. Пшеничный, A.B. Райко // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технической оснастки от нано- до макроуровня: материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 ч. Ч. 2. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. - С. 180-182.

8. Куц, Л.Е. Магнитные свойства феррогранатов в условиях процесса диффузионной сварки в вакууме / Л.Е. Куц, О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина, А.О. Жевалев // Вакуумная наука и техника: материалы XVIII науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - М.: МИЭМ, 2011. - С. 3.

9. Куц, Л.Е. Нейросетевая модель процесса диффузионной сварки ферритов с металлами / Л.Е. Куц, О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина // Быстрозака-ленные материалы и покрытия - 2011: сб. тр. 10-й Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. — М.: МАТИ, 2011. - С. 351-354.

10.Куц, Л.Е. Создание феррито-металлических узлов с заданными магнитными характеристиками / Н.М. Котина, A.M. Рыженко, Л.Е. Куц // Быстрозакаленные материалы и покрытия - 2011: сб. тр. 10-й Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - М.: МАТИ, 2011. — С. 379-381.

Подписано в печать 02.05.12 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. пен. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 82 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Ферритометаллические узлы радиоэлектронных приборов и методы их изготовления.

1.1. Общие принципы использования ферритов в области СВЧ.

1.2. Типовые конструкции линейных ферритовых СВЧ приборов.

1.3. Применение ФМУ в электровакуумных приборах СВЧ.

1.4. Ферриты СВЧ и металлы для ФМУ.

1.4.1. Основные ферриты СВЧ диапазона.

1.4.2. Механические и теплофизические свойства ферритов.

1.4.3. Металлы для изготовления ФМУ.

1.5. Конструкция ФМУ.

1.6. Методы изготовления ФМУ.

1.6.1. Получение клеевых соединений.

1.6.2. Паяные соединения металлов с ферритами.

1.6.3. Диффузионное соединение ферритов с металлами.

1.6.4. Оборудование и технологическая оснастка для процесса. диффузионного соединения ферритов с металлами.

ГЛАВА 2. Теоретические исследования влияния условий выполнения диффузионного соединения на термические и механические характеристики ФМУ.

2.1. Термодинамический анализ возможных изменений химического состава ферритов в условиях выполнения диффузионного соединения.

2.2. Теоретический анализ изменения давления кислорода в контакте феррит-металл.

2.3. Теплопроводность клеевых, паяных и диффузионных соединений ФМУ.

2.4. Определение зависимости прочностных характеристик. ферритовых деталей и ФМУ от их размеров.

ГЛАВА 3. Разработка нейросетевой модели технологического процесса диффузионного соединения ФМУ.

3.1. Нейронные сети и методы аппроксимации на их основе технологических зависимостей.

3.2. Создание базы данных и построение нейросетевой модели процесса диффузионного соединения ФМУ.

ГЛАВА 4. Оптимизация конструкции технологической оснастки для процесса диффузионного соединения ФМУ.

4.1. Анализ конструкции технологической оснастки для выполнения диффузионных соединений крупногабаритных ФМУ.

4.2. Оптимизация конструкции технологической оснастки.

ГЛАВА 5. Испытания ФМУ, выполненных на основе. диффузионного соединения и совмещенных конструкций. ферритовых и электровакуумных приборов.

5.1. Испытания ФМУ, выполненных диффузионным соединением.

5.2. Испытания ЛБВМ с совмещенной конструкцией ферритового вентиля и замедляющей системы.

Современное развитие сверхвысокочастотной (СВЧ) техники постоянно расширяет потребности в использовании ферритовых материалов, обладающих уникальным сочетанием магнитных и диэлектрических свойств.

В различных устройствах радиоэлектроники широко используются фер-ритовые устройства, такие как вентили, циркуляторы, фазовращатели и т.д. Обычно ферритовые устройства, являющиеся пассивными элементами, изготавливаются и испытываются отдельно от активных электровакуумных приборов СВЧ (генераторов или усилителей О- и М-типов), в которых они могут применяться.

Наиболее существенный вклад в проектирование и исследование ферритовых приборов СВЧ диапазона внесли: Б.М. Лебедь, Ю.Н. Афанасьев, Н.Д. Урсуляк, М.В. Вамберский, Ю.М. Яковлев, В.Н. Богомолов, A.A. Димитрюк, P.A. Семенов, Э.И. Меркин, В.И. Казанцев.

В последние годы в практике конструирования таких приборов заметен переход к так называемым «комплексированным изделиям» - устройствам, в которых ферритовые узлы являются неотъемлемой частью металлического корпуса активного прибора. Для крепления ферритовых узлов (как правило, выполненных из феррогранатов и феррошпинелей) с корпусом могут использоваться технологии склеивания, низко- и высокотемпературной пайки и диффузионного соединения.

При выборе того или иного способа соединения феррита с металлом необходимо прежде всего обеспечить сохранность свойств феррита при высокотемпературном режиме откачки ЭВП, а также требуемую теплопроводность ферритового узла и прочность его крепления на корпусе прибора при последующей эксплуатации. Для этих целей наиболее подходит диффузионный способ соединения ферритометаллических узлов (ФМУ), так как клейка и пайка не всегда могут обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики изделий из-за коррозии и процессов старения материалов.

Наиболее существенны^ вклад в разработку технологии диффузионных методов соединения ФМУ применительно к приборам СВЧ внесли: Г.В. Ко-нюшков, В.А. Неганов, Н.М. Котина, Е.А. Томильцев, О.Ю. Жевалев.

Вследствие сложности разнообразных физико-механических процессов, протекающих при диффузионном соединении, требуется разработка обобщенного технологического процесса с учетом большого числа влияющих факторов, включая типоразмер и марку феррита. Очевидно, что только экспериментальным путем решить эту проблему невозможно. Поэтому при создании комплек-сированных приборов СВЧ с ФМУ важную роль приобретают компьютерные методы моделирования процесса диффузионного соединения.

В настоящее время развитие компьютерной техники и комплексного программного обеспечения (пакеты МаЛсаё, МайаЬ, АшуБ, 8оНс1\¥огк8 и т.д.) с использованием относительно новых методов искусственного интеллекта - нейронных сетей позволяют создавать различные расчетные модели сложных технических объектов, в том числе и модели технологических процессов. Однако для моделирования процесса диффузионного соединения такие методы пока не использовались, а сами модели физико-химических процессов носили качественный характер. Разработка более совершенных математических моделей и оптимизация параметров технологического процесса на основе метода нейронных сетей позволит определять для него оптимальные режимы и параметры, а его реализация на практике обеспечит повышение термических и механических характеристик ферритометаллических узлов электровакуумных приборов.

Работа выполнена в лаборатории «Вакуумно-сварочной техники» кафедры «Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета им. Ю.А. Гагарина в соответствии с научно-технической программой на 2009-2011 г.г. по проблеме 24В.01 «Решение технологических проблем электроники и наноэлектроники».

Целью работы является совершенствование технологии диффузионного соединения ферритов с металлами для повышения термических и механических характеристик ФМУ электровакуумных приборов на основе нейросетевого моделирования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

- проанализировать использование ферритовых материалов и методы изготовления ФМУ для электровакуумных приборов;

- исследовать температурные интервалы стабильности химического состава феррогранатов и феррошпинелей при их нагреве в вакууме на основе термодинамического анализа равновесного давления кислорода;

- исследовать зависимость прочностных свойств ферритов от их размеров на основе статистической модели Вейбулла;

- исследовать теплопроводность конструкций ФМУ, выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, при значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала, соответствующей максимально допустимой температуре эксплуатации 120-ь250°С;

- разработать математическую нейросетевую модель технологического процесса диффузионного соединения ФМУ, учитывающую влияние большого числа факторов, включая типоразмеры ферритовых деталей, на прочностные свойства;

- исследовать с помощью разработанных математических моделей физико-химические особенности процессов диффузионного соединения ФМУ в вакууме при разных температурах для основных марок ферритов;

- определить оптимальные режимы, обеспечивающие для феррогранатов и феррошпинелей получение соединений с требуемыми характеристиками;

- провести совместно с разработчиками приборов СВЧ испытания конструкций ФМУ для ЭВП на термоциклические, вибрационные, динамические нагрузки, а также выходных параметров ЛБВМ со встроенными ФМУ.

Методы и средства исследований

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием дифференциальных уравнений теплопроводности, термодинамического анализа изменения энергии Гиббса для химических реакций образования моноферритов, уравнений вакуумной техники, статистической модели Вейбулла, нейросетево-го моделирования, уравнений регрессии для определения прочности диффузионного соединения феррогранатов, компьютерного программного обеспечения (МаШсас! и 8оНс1\Уогк8).

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Максимально допустимые температуры нагрева ферритов в вакууме без возникновения необратимых изменений их химического состава должны находиться в следующих пределах: для феррогранатов до 1436°С; для никелевой феррошпинели - до 1042°С; для магниевой феррошпинели до 863°С;

2. Разработанная нейросетевая модель диффузионного соединения ферро-граната 30СЧ6 с медью МОб адекватно отражает физико-химические процессы диффузионного соединения и позволяет определять значения технологических параметров требуемых для получения прочных (тсдв, 20(Н650 кПа) ферритоме-таллических узлов с объемом ферритовых деталей от 0,3 до 2,5 см .

3. Технологические параметры: Т=1005°С; Р=1,7-104 кПа; 1=16,4 мин; скорость остывания ФМУ - Уос=0,2 °С/с, обеспечивают получение прочных диффузионных соединений гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью МОб для ферритовых деталей с объемом 0,3 см .

Научная новизна работы:

1.Определены температурные интервалы стабильности химического (фао зового) состава феррогранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме 1-10" Па. Для феррогранатов - до 1436°С. Для никелевой феррошпинели - до 1042°С. Для магниевой феррошпинели - до 863°С.

2. Установлено, что в контакте феррошпинель-медь при нагреве в вакуул А ме 10 Па в интервале температур 900ч-1000 С образуется оксид Си20 за счет выделения кислорода из объема феррита, который определяет прочностные свойства диффузионного соединения указанных материалов.

3. Аналитические модели теплопроводности ФМУ, выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, позволяют определить максимальные температуры их нагрева при заданных значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала

20-30 Вт/см ) в зависимости от толщины ферритовых деталей. Показано, что теплопроводность диффузионных соединений на 8-12% больше по сравнению с клеевыми соединениями

4. Впервые разработана нейросетевая модель технологического процесса диффузионного соединения феррогранатов с медью, учитывающая размеры ферритов на основе статистической модели Вейбулла, и обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 200-650 кПа.

5. Найдены оптимальные режимы процесса диффузионного соединения гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью, обеспечивающие высокое качество соединения ФМУ.

6. Найдены новые конструктивные решения технологической оснастки требуемой для выполнения диффузионных соединений ФМУ, позволяющие сократить градиент температур на ферритовых деталях с 19-35 до 5-10 °С, что повышает скорость остывания с 0,08 до 0,12°С/с и сокращает операционное время на 1,2 часа (23%).

Практическая значимость:

• Разработаны и изготовлены ФМУ на основе феррогранатов марок ЗОСЧЗ, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 и гексаферрита марки 03СЧФ2В1. Оптимизирована конструкция многоместной технологической оснастки, позволяющая сократить операционное время выполнения диффузионного соединения на 23%.

• Разработана инженерная методика определения технологических параметров диффузионного соединения феррогранатов с медью на основе нейро-сетевых моделей.

• С помощью разработанного техпроцесса в НИИ «Алмаз» была создана исгштамяшшрная шерраяе нощ^внширанцнояошоф^ШЗМдщз^^е^ЁМо диапазона с ферритовым вентилем, встроенным в узел замедляющей системы прибора, результаты испытаний ЛБВМ приведены в актах внедрения.

• Разработанные режимы диффузионных соединений феррогранатов ЗОСЧЗ, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 с медью МОб используются в ЗАО НПК «Феррит-Квазар» при изготовлении ферритовых приборов.

• Материалы исследований внедрены в учебный процесс в виде материалов лекций и методических указаний к лабораторным работам по дисциплинам: «Материалы и элементы электронной техники» и «Технология материалов и изделий электронной техники», «Оборудование производства электронной техники».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

На основании выполненных исследований решена актуальная научная задача, заключающаяся в разработке технологии диффузионного соединения феррогранатов с медью для широкого диапазона размеров ферритовых деталей, которые могут использоваться в ферритовых и электровакуумных приборах.

1. Определены температурные интервалы стабильности химического (фал зового) состава феррогранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме 1-10" Па. Для феррогранатов - до 1436°С. Для никелевой феррошпинели - до 1042°С. Для магниевой феррошпинели - до 863°С.

2. Установлено, что в контакте феррошпинель-медь при нагреве в вакууо П ме 10 Па в интервале температур 900ч-1000 С образуется оксид - Си20 за счет выделения кислорода из объема феррита, который определяет прочностные свойства диффузионного соединения указанных материалов.

3. Учитывая выявленные особенности поведения феррошпинелей в условиях нагрева в вакууме, они не могут использоваться для изготовления ФМУ электровакуумных приборов.

4. Разработаны аналитические модели теплопроводности ФМУ выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, которые позволяют определить максимальные температуры их нагрева при заданных значениях поо глощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала (20+30 Вт/см-5) в зависимости от толщины ферритовых деталей, а также показать, что теплопроводность диффузионных соединений на 8+12% больше по сравнению с клеевыми соединениями;

5. Впервые разработана нейросетевая модель технологического процесса диффузионного соединения феррогранатов с медью, учитывающая размеры ферритов на основе статистической модели Вейбулла и обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 200+650 кПа;

6. Изготовлены экспериментальные образцы диффузионных соединений гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью, при значениях технологических параметров (Т=1005°С; Р=1,7-104 кПа; 1=16,4 мин; объем ферритовых л деталей - 0,3 см ; скорость остывания ФМУ - Уос=0,2 °С/с), выбор которых осуществлен по разработанной нейросетевой модели для феррогранатов.

7. Методами численного моделирования (программный пакет БоНсП^огкз) исследованы конструкции технологической оснастки для выполнения диффузионных соединений ФМУ, найдены конструктивные решения позволяющие сократить градиент температур на ферритовых деталях с 19-^3 5°С до 5^10°С, что позволяет повысить скорость остывания с 0,08°С/с до 0,12°С/с и сократить операционное время на 1,2 часа (23%).

8. Изготовлена и испытана первая в стране мощная широкополосная ЛБВМ дециметрового диапазона с ферритовым вентилем, встроенным в узел замедляющей системы в НИИ «Алмаз», результаты испытания прибора изготовителем приведены в актах внедрения.

9. Разработанные технологии диффузионных соединений феррогранатов, ЗОСЧЗ, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 с медью МОб используются в ЗАО НПК «Феррит-Квазар» при изготовлении ферритовых приборов.

1. Смит, Я. Ферриты / Я. Смит, X. Вейн М.: Изд-во иностр. лит., 1962. - 504 с.

2. Ферриты и магнитодиэлектрики: справочник / под ред. Н.Д. Горбунова, Г.А. Матвеева М.: Советское радио, 1968. - 384 с.

3. Журавлев, Г.И. Химия и технология ферритов / Г.И. Журавлев JL: Химия, 1970.-192 с.

4. Боголюбов, В.Н. Управляемые ферритовые устройства СВЧ / В.Н. Боголюбов, A.B. Ескин, С.Б. Карбовский М.: Советское радио, 1972. - 72 с.

5. Конюшков, Г.В. Ферриты и их соединения с металлами и керамикой / Г.В. Конюшков, Б.М. Зотов, Э.И. Меркин М.: Энергия, 1979. - 232 с.

6. Томильцев, Е.А. Металлизация ферритов и их неразъемные соединения с металлами / Е.А. Томильцев, В.А. Тейерман // Обзоры по электронной технике. // «Электроника СВЧ». М.: ЦНИИ «Электроника», - 1988. Сер. 1. Вып. 15 (1404).-60 с.

7. Вамберский, М.В. Конструирование ферритовых развязывающих приборов СВЧ / М.В. Вамберский, В.П. Абрамов, В.И. Казанцев под ред. М.В. Вамберского М.: Радио и связь, 1982. - 136 с.

8. Меркин, Э.И. Исследование работы полоскового ферритового вентиля дециметрового и метрового диапазона длин волн / Э.И. Меркин, А.Е. Рубин, Н.П. Милевский // Электронная техника. 1969. - Сер. 7. Вып. 5. - С. 116-122.

9. Вамберский, М.В. Инженерный расчет волноводных Н-плоскостных Y-циркуляторов / М.В. Вамберский, В.И. Казанцев // Радиотехника. 1968. - Т. 23.-№ 10.-С. 15.

10. Николаева, К.С. Оптимальные характеристики Y-циркуляторов на LC-элементах / К.С. Николаева, Лебедь Б.М. // Электронная техника. 1971. -Сер. 7. Вып. 4 (31). - С. 65-80.

11. Авербух, М.Э. Применение ферритового вентиля в ЛБВМ дециметрового диапазона / М.Э. Авербух, В.А. Лепилов, В.А. Неганов // Электронная техника. -1970. Сер. 1, Вып. 10. - С. 140-143.

12. Бадаева, О.Н. Состояние и тенденции развития зарубежных приборов -М-типа в 1974 г / О.Н. Бадаева // Обзор по электронной технике. 1975. - Сер. 1. Вып. 11 (326).-С. 12.

13. Вопросы проектирования встроенных невзаимных поглотителей для прборов М-типа / Казанцев, В.И. и др. // Вопросы радиоэлектроники. 1976. -№235.-С. 8-17.

14. Газовыделение иттриевых ферритов в условиях сверхвысокого вакуума / В.И. Казанцев, и др. // Электронная техника. -1972. Сер. 6. Вып. 8. -С. 64-69.

15. Besse, С.В. Technology and design of internal ferrites in microwafe tubes -/ C.B. Besse, L. Lesensky, A.E. Paladino // IEEE Conference on Electron Device Tubes Technology. 1973. -№ 7. - P. 126-131.

16. Левин, Б.Е. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов / Б.Е. Левин, Ю.Д. Третьяков, Л.М. Летюк М.: Металлургия, 1979.-471 с.

17. Стабильность свойств ферритов / P.M. Биктяков и др. М.: Советское радио, 1974. - 352 с.

18. Злобин В.А. Ферритовые материалы / В.А. Злобин, В.А. Андреев, Ю.С. Звороно Л.: Энергия, 1970. - 109 с.

19. Madjoubi, М.А. Weibull W Statisticalanalysis of the mechanical strength of glass eroded by sandblasting / M.A. Madjoubi, C. Bousbaa, M. Hamidouche, N. Bouaouadja, // Journal of the European Ceramic Society. 1999. - v.19. - P. 29572962.

20. Weibull, W. Statistical distribution function of wide applicability / W. Weibull // Jornal of Applied Mechnics. 1951. - v.18. - P. 293-297.

21. Андреев, В.А. Влияние температуры на прочность ферритов СВЧ при растяжении / В.А. Андреев, Ю.А. Шукейло // Электронная техника. -1972. -Сер. 6. Вып. 11.-С. 99-101.

22. Зотов Б.М. Исследование некоторых свойств ферритгранатов и их соединений с металлами / Б.М. Зотов, Г.В. Конюшков, Н.Ф. Казаков // Электронная техника. -1976. Сер. 7. Вып. 1. - С. 19-25.

23. Третьяков, Ю.Д. Термодинамика ферритов / Ю.Д. Третьяков JL: Химия, 1967.-304 с.

24. Рабкин, Б.В. Немагнитные деформационные сплавы для соединения с алюмооксидной керамикой / Б.В. Рабкин, Р.Ф. Козлова // Электронная техника. 1972. - Сер. 1. Вып. 5. - С. 123-126.

25. Жевалев, О.Ю. Диффузионная сварка ферритометаллических узлов / О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина, Г.В. Конюшков, P.A. Мусин // Сварочное производство. 1986. - № 4. - С. 3-5.

26. Ковачич, JI. Склеивание металлов и пластмасс / JI. Ковачич М.: Химия, 1985.-240 с.

27. Медведев, A.C. О старении оловянно-свинцовых припоев в паяных соединениях /A.C. Медведев // Металловедение и термическая обработка металлов. 1956. - № 7. - С. 5-7.

28. Диффузионная сварка материалов: справочник / под ред. Н.Ф. Казакова. -М.: Машиностроение, 1981. -271 с.

29. Мусин, P.A. Соединение металлов с керамическими материалами / P.A. Мусин, Г.В. Конюшков М.: Машиностроение, 1991. - 224 с.

30. Конюшков, Г.В. Физические и химические основы формирования сварных соединений металлов с неметаллическими изделиями / Г.В. Конюшков, P.A. Мусин, X. Херольд, О.Ю. Жевалев, А.Н. Балакин // Сварка и диагностика. -2007. №4. - С. 6-8.

31. Бачин, В.А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами / В.А. Бачин М.: Машиностроение, 1986. - 184 с.

32. Люшинский, A.B. Диффузионная сварка разнородных материалов: учебное пособие / A.B. Люшинский М.: Академия, 2006. - 208 с.

33. Конюшков, Г.В. Специальные методы сварки давлением / Г.В. Ко-нюшков, P.A. Мусин.: учебное пособие. Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2009. -632 с.

34. Ясницкий, П.Н. Введение в искусственный интеллект / П.Н. Ясниц-кий Издательский центр «Академия», 2005. - 176 с.

35. Уоссермен, Ф. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика / Ф. Уоссермен М.: Мир, 1992. - 240 с.

36. Алямовский, A.A. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / A.A. Алямовский, A.A. Собачкин, Е.В. Одинцов, А.И. Ха-ритонович, Н.Б. Пономарев СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 е.: ил.

37. Браун, М. Реакции твердых тел / М. Браун, Д. Доллимор, А. Галвей. Пер. англ. М.: Мир, 1983. - 360 с.

38. Третьяков, Ю.Д. Твердофазные реакции / Ю.Д. Третьяков М.: Химия, 1978.-360 с.

39. Третьяков, Ю.Д. Физико-химические основы термической обработки ферритов / Ю.Д. Третьяков, H.H. Олейников, В.А. Гранин М.: МГУ, 1973. -204 с.

40. Состав-дефектность-свойство твердых фаз. Метод кластерных компонентов М.: Наука, 1977. - 248 с.

41. Бакштаев, A.C. Статика и кинетика процесса диссоциации феррогранатов при высокотемпературной вакуумной пайке / A.C. Бакштаев, В.Ф. Балакирев, В.П. Бархатов и др. // Электронная техника. 1979. - Сер.6. Вып. 11(136).-С. 43-47.

42. Куц, JI.E. Изменение свойств ферритовых материалов при нагреве в вакууме /Л.Е. Куц, О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина, В.Г. Конюшков //«Вакуумная техника и технология» Санкт-Петербург. 2011. - Т.21 №4. - С.237-238.

43. Вакуумная техника: справочник / Под ред. Е.С.Фролова и др. М.: Машиностроение, 1985.- 360 с.

44. Пипко, А.И. Конструирование ирасчет вакуумных систем / А.И. Пипко, В .Я. Плисковский, Е.А. Пенчко М.: Энергия, 1979. - 504 с.

45. Исаченко, В.П. Теплопередача: учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, A.C. Сукомел. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с., ил.

46. Жевалев, О.Ю. Особенности крепления ферритовых элементов на металлических корпусах радиоэлектронных приборов / Жевалев О.Ю., Конюшков Г.В., Куц Л.Е. // «Антенны» Москва. 2011. - №11. - С.68-71.

47. Никоноров, Н.В. Оптическое материаловедение: основы в прочности оптического стекла: учебное пособие, курс лекций. / Н.В. Никоноров, С.К. Евс-тропьев СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - 102 с.

48. Круглов, B.B. Искусственные нейронные сети. Теория и практика: учеб. пособие. / В.В. Круглов, В.В. Борисов М.: Горячая линия - Телеком, 2001 - С. 382.

49. Жевалев А.О. Оптимизация процесса диффузионной сварки и конст- . рукции ферритометаллических узлов для радиоэлектронных приборов: маги-стер. дис. Саратов: СГТУ, 2011. - 152 с.

50. Программы по ИИ // NeuroPro 0.25. (дата обновления 20.10.2009) URL: http: // www.twirpx.com / file / 79545 (дата обращения 27.01.2011).

51. Куц, J1.E. Проблемы диффузионной сварки гексаферритов с металлами / JI.E. Куц, C.B. Семенов, О.Ю. Жевалев // Быстрозакаленные материалы и покрытия 2009: сб. тр. 8-ая Всерос. с междунар участием науч.-техн. конф. -М.: МАТИ 2009. - С.325-330.