автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Соединение узлов электронных приборов методом электрического взрыва прослоев в вакууме

На правах рукописи

И046Э4878

КОНЮШКОВ Владимир Геннадьевич

СОЕДИНЕНИЕ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА ПРОСЛОЕВ В ВАКУУМЕ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2010

004604878

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Балакин Александр Николаевич

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки РФ, доктор

физико-математических наук, профессор Синицын Николай Иванович заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Быстров Юрий Александрович

Ведущая организация - ОАО «НЛП «Контакт» (г. Саратов)

Защита состоится «17» мая 2010 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.242.01 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу:

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

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат размещен на сайте: www.sstu.ru 16 апреля 2010 г.

Автореферат разослан «16» апреля 2010 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие и совершенствование современной электронной промышленности невозможно представить без применения новых конструкционных материалов на основе керамики, ситаллов, кварца, ферритов и других неметаллических материалов. Эти материалы созданы на основе оксидов различных элементов и обладают уникальными физико-химическими свойствами.

Соединения этих материалов с металлами и друг с другом широко применяются для соединения оболочек и корпусов металлокерамических и стеклометаллических узлов электронных, газоразрядных и газонаполненных приборов, фазовращателей, циркуляторов, резонансных вентилей и других узлов в приборах СВЧ и антенно-фидерных устройств, для фотокатодов в приборах ночного видения, корпусов лазерных гироскопов. Традиционные методы получения таких соединений - склеивание и иайка - ■ далеко не всегда обеспечивают высокую прочность, вакуумную плотность, термостойкость, надежный тепловой и электрический контакт, сохранение свойств приборов при длительном хранении.

Методы соединения с высокоинтенсивным воздействием параметров - сварка взрывом, ударная сварка в вакууме, магнитоимпульспая сварка, вакуумно-термическая магнитоимпульсная обработка не могут- найти реального применения для изготовления узлов на основе неметаллических материалов.

Наиболее перспективным методом изготовления таких узлов является диффузионная сварка в вакууме (ДСВ). Однако в последние годы возникают задачи, которые практически невозможно решить в рамках традиционных технологических воздействий параметров ДСВ. Не известны работы по сварке неметаллов с неметаллами указанными выше способами, в том числе и ДСВ.

Соединение этих материалов с использованием электрического взрыва прослоев в вакууме весьма перспективно для соединения в твердом состоянии различных металлов, металлов с неметаллическими конструкционными материалами, а также этих материалов друг с другом для изготовления новых и совершенствования существующих электронных и газоразрядных приборов.

Существенный вклад в развитие принципиальных- схем процессов и технологий внесли А.И.Коблов, А.Н. Балакин, P.A. Мусин.

Процесс электрического взрыва проводников является достаточно сложным, связанным прежде всего с динамикой нагрева и взрыва проводников. Впервые эти процессы рассмотрены в монографии В.Г. Чейса и в основном для проволочных проводников.

В литературе эти процессы исследованы недостаточно, для плоских проводников они практически не изучались.

Целью работы является разработка новых технологических принципов изготовления узлов электронных приборов на основе неметаллов по электрически взрываемым прослоям в вакууме и исследование физических явлений при взрыве.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать возможности применения высокоинтенсивных методов соединения материалов в твердом состоянии для получения качественных соединений конструкционных неметаллических материалов (керамик, ферритов, ситаллов, кварцевых стекол и др.) с металлами и друг с другом; выбрать основные схемы процесса, описывающие физические явления при взрыве и соединении;

• предложить схему процесса соединения материалов в твердом состоянии через электрически взрываемые прослои при пониженных температурах и давлениях;

• исследовать физические закономерности электрического взрыва прослоев и разработать перколяционную модель взрыва для определения его параметров на основе перколяционной модели;

• . установление кристаллографических аспектов процесса формирования прослоя после взрыва и взаимодействия конструкционных неметаллов с металлами;

• рассчитать влияние термомеханических характеристик прослоев на термоупругие напряжения соединений;

• разработать специальное оборудование, техпроцессы изготовления узлов приборов и апробировать их.

Работа выполнялась в соответствии с программой совместных исследований и разработок ОАО «НПП «Контакт» и СГТУ, госбюджетной работой №241 СГТУ.

Методы и средства исследований.

Научные и технические разработки проводились с использованием теоретических основ вакуумной техники с использованием современных методов исследований, контрольно-измерительных приборов и математического аппарата.

Достоверность теоретических положений подтверждена экспериментальными результатами, а также апробацией их данных.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- Разработанные технологические основы соединения но электрически взрываемым в вакууме металлическим и стеклянным прослоям на основе колебательного контура позволяют вводить энергию непосредственно в зону контакта и изготавливать узлы приборов из материалов, которые

ранее не соединялись при уменьшенных до 300+400°С температурах и давлениях 10+12 МПа без применения драгметаллов.

- Предложенная схема процесса соединения материалов через электрически взрываемые прослои последовательно описывает три стадии электрического взрыва проводника и физико-химические процессы па каждой стадии и представляет процесс в форме, удобной для технологического анализа.

- На основе разработанной перколяционной модели и экспериментальных результатов предложена следующая физическая картина электрического взрыва прослоя: так как электрическое сопротивление границ зерен значительно больше сопротивления в объеме, то плавление начинается с границы зерен, распространяется вглубь, образуя кластеры пустот, объединяющиеся в разрывной кластер, при этом сопротивление растет, и ток перестает течь по цепи.

- Плавление и последующая кристаллизация прослоя приводят к переориентации предпочтительных кристаллографических направлений в кристаллах металлической прослойки к решетке неметаллического материала на уровне наноразмеров, что обеспечивает формирование качественных соединений до уровня прочности одного из соединяемых материалов.

Научная новизна работы:

• Установлено, что по сравнению со всеми известными методами соединения материалов в твердом состоянии метод соединения по взрывающимся прослоям в вакууме перспективен для получения качественных узлов существующих и новых электровакуумных приборов при уменьшенных до 0,3+0,4 Тпл температурах и удельных давлениях меньше предела текучести.

• Предложена перколяционная модель протекания тока через прослои, качественно подтвержденная экспериментальными результатами.

• Предложена методика расчета электрических параметров колебательного контура, оценивающая зависимость сопротивления проводника, тока в цепи разряда и напряжение на батарее конденсатора ог времени, что позволяет с учетом сопротивления прослоя рассчитать электрические параметры взрыва.

• Установлено, что после электрического взрыва и кристаллизации прослоя происходит переориентация предпочтительных направлений в кристаллах прослоя к решетке неметаллического материала, что свидетельствует о подстройке решеток на уровне наноразмеров.

• Показана возможность соединять материалы и узлы приборов из неметаллических электровакуумных материалов друг с другом следующих пар материалов: ситалл-ситалл, кварц-кварц, ситалл-кварц, ферриты-ферриты через прослойку из сплава 47НД, пьезокерамика+пьезокерамика.

Практическая значимость.

• Разработанные режимы соединения керамики с металлами рекомендованы в ОАО «Н11П «Контакт» при изготовлении металлокерами-ческих узлов следующих типов приборов: тиратроны газоразрядные импульсные типа ТГИ-1000, ТГИ-2000, ТГИ-5000; мощные генераторные лампы (МГЛ) типа ГУ-53, ГИ-64.

• Разработанные режимы соединений ферритов гранатов, 40СЧ2, 30СЧ6 и ферритошпинелей 10СЧ8 с металлами и керамикой внедряются в ЗАО НПК «Феррит-Квазар» при изготовлении электронных приборов следующих типов: резонансных вентилей, циркуляторов и фазовращателей.

• Разработанные режимы апробированы при герметизации корпуса лазерного гироскопа из кварцевого стекла КУ-1 с заглушкой из си-талла СОП5М.

Рекомендации диссертации использованы в госбюджетной работе №241 «Разработка теоретических основ формирования вакуумных эмиссионных характеристик электронных приборов, сварных соединений и покрытий на основе наиокристаллических и аморфных диссипативных структур».

• Разработана и изготовлена экспериментальная установка для соединения металлов, металлов с неметаллами и неметаллов с неметаллами через электрически взрываемые прослои, на которой можно соединить узлы существующих и новых типов приборов.

• Материалы исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Электронное машиностроение и сварка» СГТУ в виде лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Технология материалов и изделий электронной техники» и «Оборудование и технология сварки и пайки изделий электронной техники».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 5-й, 6-й, 7-й Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Быстрозакаленные материалы и покрытия» и научно-технических семинарах «Диффузионная сварка и её роль в современной технике» (Москва, 2006 г., 2007 г., 2008 г.), на IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008 г.), на IV Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2009), на научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009), на Международной научно-технической конференции «Успехи современной электротехнологии» (Саратов, 2009), на XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-22 (Псков, 2009), на XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Сочи, 2009), на

Международной Российско-Казахстанско-Японской научной конференции (Волгоград, 2009).

Работа пользовалась в соответствии с фантом «Перколяционная модель электрического взрыва» финансовой поддержкой по про1раммс У.М.Н.И.К. на 2009-2010 гг. и удостоена Почетной грамоты на Пятом Саратовском салоне изобретений и инноваций 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ (в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 15 статей в научных сборниках (из них 2 без соавторов).

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке методик и моделей исследований, модернизации оборудования и разработке технологий.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 60 наименований, приложения (расчет по перколяционной модели) и актов использования результатов в производстве. Работа изложена на 145 страницах, содержит 61 рисунок \ и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе приведен обзор высокоиптенсивпых методов для соединения металлов, металлов с неметаллами и неметаллов друг с другом в твердом состоянии: сварка взрывом, магнитоимпульсная, вакуумно-термическая магнитоимпульсная обработка, сварка импульсным разрядом в жидкости, ударная сварка в вакууме, ДСВ и соединение через электрически взрываемые прослои. На основе результатов анализа сделан вывод о том, что наиболее целесообразно использовать для изготовления узлов из неметаллических материалов прослои, получаемые путем электрического взрыва проводников.

В диссертации для электрического взрыва проводников предложено использовать схему колебательного контура с переменным сопротивлением (рис. 1).

Рис.1. Принципиальная электрическая схема для сварки с использованием электрического взрыва проводников: 1 - источник питания;

2 - высоковольтный импульсный конденсатор;

3 - замыкатель электрической цени; 4 - зарядное сопротивление; 5 - взрывающийся проводник; 6 - свариваемые детали; 7 - вакуумная камера; 8 - откачная система; 9 - механизм давления; 10 - индуктивность

н

Рис. 2. Сварка с использованием СВзПВ:

1-вакуумная камера; 2- пуансоп; 3 - свариваемые изделия; 4 - металлический проводник; 5 - рабочий стол; 6 - электроды

хакже отмечено, что для соединения узлов практически из любых металлов и сплавов, металлов с неметаллическими материалами и неметаллов друг с другом могут быть применены три основные схемы: соединяемые материалы контактируют друг с другом через взрывающиеся прослои (рис. 2); соединения металлов и металлов с неметаллами осуществляются через одновременно или последовательно взрывающиеся проводники; соединения неметаллов с неметаллами осуществляются через прослои (проводники) жидкого стекла.

Можно полагать, что электровзрыв прослоя, сопровождаемый разлетом паров, электронов, ионов и золя, локально повышает температуру, очищает и активирует контактные поверхности на атомарном уровне.

Вторая и третья главы посвящены теоретическим исследованиям процесса взрыва прослоев и физических явлений при этом и расчету электрических параметров колебательного контура.

Приведена трехстадийная схема образования соединений: электрический взрыв проводника; взаимодействие с образованием химических связей; объемное взаимодействие между прослоем и соединяемыми материалами в контактной зоне.

Металлические прослои имеют зернистое строение. Электросопротивление границ зерен, мелкодисперсных фаз и других неоднородностей отличается от электрического сопротивления металла внутри зерен. Здесь оно значительно меньше, чем на границах зерен.

В диссертации предложена перколяционная модель протекания тока при электрическом взрыве прослоев из фольги, качественно подтвержденная экспериментальными результатами.

При этом плоский проводник представлен в виде сетки заданных сопротивлений со случайным разбросом номиналов сопротивлений (рис. За).

Цк„(0) о ' ' -1

Рис. 3 а. Сетка со случайным разбросом сопротивлений: и - напряжение, приложенное к проводнику

Рис. 3 б. Зависимость сопротивлении

никелевого прослоя толщиной 20 мкм от времени в процессе взрыва

В предложенной качественной модели цепь рассчитывается матрич-но-топологическим методом по следующему алгоритму. Вначале задаются характеристики материала прослоя в твердом и жидком состояниях (проводимость, плотность, удельная теплоемкость, температура плавления, температура кипения, температурные коэффициенты, коэффициент теплопроводности, молярные массы), начальная температура, напряжение, сопротивления элементов и размеры прослоя. Далее на каждом шаге по времени рассчитываются в каждой ветви сетки токи, электрические мощности, температура, определяемая по уравнению баланса внутренней и электрической энергии. Если в ветви достигается температура испарения, принимается, что сопротивление перегорело. Перегоревшие сопротивления образуют кластеры, которые, объединяясь, образуют разрывной кластер, разрушающий прослой и прекращающий протекание тока. Зависимость сопротивления прослоя от времени Я^) использовалась для расчета параметров электрической цепи колебательного контура по уравнению (1). Эта зависимость аппроксимировалась экспоненциальной зависимостью

КщО) где К„о - начальное сопротивление, 10 - характерное

время (рис. 3 б).

Визуально кластеры определяются по пикам температур на поверхности проводника (рис. 4, 5). Температура ветвей для двух последовательных моментов времени показана на рис. б а,б. Отчетливо видны «пики» температуры на границах зерен.

л пА У Г

Тши,1-ю ,0,10,1000,1-10' Т1<,(з,1-10"5.0.10.1000,1-10"'

Рис. 4. Температура ветвей при I = 10"7 с Рис. 5. Распределение температуры (1) и I ": 10"6 с (2). Титановая фольга по поверхности прослоя и линии уровня толщиной 105 м, разброс начальных температуры при I = 10'6с

сопротивлений ветвей 10%, амплитуда напряжения ¡0001!. I помер ветви

ется.

Разработанная модель подтверждается экспериментальными результатами. На рис. 7 а,б,в показаны фрактограммы излома зоны соединения кварц + кварц, полученные после сварки через электрически взрываемую фольгу сплава 47НД толщиной 100, 50 и 30 мкм, площадью 10 см2. На

С увеличением размеров прослоев степень их разрушения уменьша-

Т|,„(з,1-10"5,0.1,1000,1-10"6) ' .-5 ' -б\

1(8 ,ТК8\Э,И0 ,0.1,1000,1-10 1

Тк„(з, 1-10 5,0.1,10041-10 7),Тк„(з,1-10 5,0.1, ЮОЦЗ-10 7), 6) б)

а)

Рис. 6. Распределение температуры по площади проводника для двух последовательных моментов времени

рис. 7 в отчетливо видны кластеры пустот (затемненные участки), подтверждающие полученные результаты, представленные па рис. 6. Видно, что при толщине пленки 100 мкм разрывной кластер не образуется, а при толщине 50 и 30 мкм образуется разветвленная сетка кластером. 11ри этом во втором случае образуется качественное соединение, в первом такое не образуется, а в третьем не имеет достаточную для узлов прочнос ть.

Согласно предложенной перколяционной модели и экспериментальным результатам представляется следующая физическая картина электрического взрыва проводника: так как электрическое сопротивление границ зерен значительно больше сопротивления в объеме, то плавление начинается с границы зерен, распространяется вглубь, образуя кластеры пустот, объединяющиеся в разрывной кластер. При этом сопротивление проводника растет, он разрушается и ток в цепи прекращается. •

Для расчета электрических параметров колебательного контура, при которых происходит взрыв прослоя, использовано известное дифференциальное уравнение, в которое введено сопротивление R„(t):

d2 R0 + Rn(t)d ] (1)

V(t) +---S. V(t) + — ■ V(t) - 0, UJ

dt2 I- dt I-С

где R^(t) - функция сопротивления проводника от времени t; V - напряжение на конденсаторе; R„ - сопротивление внешней цепи; С, L - емкость конденсаторов и индуктивность цепи разряда.

Величина Rn(t) определяется по данным расчета перколяционной модели. В начальный момент времени задается напряжение на конденсаторе и нулевой ток в цепи.

На графиках (рис. 8) показаны зависимости тока в цепи разряда, па-пряжения на батарее конденсатора и на проводнике для конкретного момента времени. Они позволяют рассчитать параметры цепи для взрыва прослоя. Видно, что характерное время взрыва при заданных параметрах составляет порядка 10 мкс. Максимальный ток достигает значения 5000 А, а напряжение на проводнике - около 1000 В.

11

а) б) в)

Рис. 7. Сетчатая структура в зоне соединения при электрическом взрыве проводника толщиной: а -100 мкм; 6-50 мкм; в - 30 мкм

t-10-

vc(t), в о

-1 •10й

t. С

б)

а)

Vr(t>, В 0

в)

Рис. 8. Зависимость тока в цепи разряда (а), напряжения на батарее (б) и па проводнике (в) от времени разряда при Ко=0,1 Ом, Ь = 3-10'7 Гн, С = 10"'Ф и начальном сопротивлении проводника 0,01 Ом (Ш„= 13,198 Дж, >УС = 50 Дж)

Для определения механизма взаимодействия материалов впервые исследованы кристаллографические аспекты образования соединений разнородных материалов в твердом состоянии при невысоких температурах, когда гетеродиффузия или диффузия в зоне соединения не имеет ощутимого развития. По аналогии с ДСВ такое соединение можно классифицировать как соединение адгезионного типа. При этом первоначальная граница сохраняется и после соединения.

Установление общих связей между соединяемыми поверхностями возможно лишь при определенной подстройке одного материала к другому. Такая граница обладает минимальной межфазной энергией, термодинамически наиболее стабильна и обеспечивает высокую прочность соединений.

Исследования дифрактограмм металлической фольги после соединения представлены на рис. 10, а исходной фольги из материала 47НД - на рис. 9.

Исходная фольга ориентирована плоскостью (200) или, что то же самое, плоскостью (100) к плоскости прокатки, а переплавленная плёнка на поверхности ситалла - плоскостью (222) или, что то же самое, плоскостью (111) к поверхности подложки. Таким образом, плавление и кристаллиза-

ция привели к переориентации предпочтительных кристаллографических

Рис. 9. Кристаллографическое состояние Рис. 10. Кристаллографическое состояние фольги (исходное состояние) прослойки после воздействия СВзПВ

В диссертации приведены схемы и конструкции металдо- и феррито-металлических узлов электровакуумных, газоразрядных и ферритовых приборов.

При соединении разнородных материалов на прочность соединения отрицательное влияние оказывают внутренние напряжения в соединении.

Произведен расчет термоупругих напряжений, возникающих в соединении двух плоских деталей разнородных материалов, соединяемых через прослои для свободно опертой пластины.

и I-1—;-1-1---

,[-1-1-1-

-0.5 -0.45 -ОД -035 "0-3

Рис. 11. Зависимость касательного и нормального напряжений вдоль оси ОХ от координат

На рис. 11 представлены напряжения т(х) и о(х) вдоль оси ОХ. Обе кривые ясно показывают, что наибольшее напряжение сосредоточено вблизи края пластины. Нормальное напряжение сжатия достигает максимума на краю, а касательное напряжение - на расстоянии 0,3/г, где к -толщина прослоя. Оба напряжения быстро убывают при удалении от кра-

ев. Максимальные напряжения сосредоточены в узких зонах, ширина которых примерно равна толщине прослоя.

Прослои толщиной в диапазоне 20-80 мкм позволяют получать качественные соединения.

Б четвертой главе описана экспериментальная установка для проведения исследований по сварке кварцевого стекла, ситалла, ферритов, ва-куумно-плотных и пьезокерамик друг с другом через металлические прослойки из алюминия, титана, тантала, сплава 47 НД и макетов приборов с использованием эффекта взрывающихся прослоев (рис. 12).

Рис. 12. Опытно-промышленная установка с использованием эффекта ЭВНВ

Описаны основные узлы и приведены их технические данные.

Для определения оптимальных режимов сварки применялись следующие методы исследований: фрактографический анализ разрушенных образцов; металлографические исследования на микроскопе МИМ-8; механические испытания на разрыв в разработанной оснастке на разрывной матине Р.5; рентгеноспектральные исследования на ДРОН-3; исследования на вакуумную плотность на течеискателе ПТИ-10.

Па рис. 13 приведены в качестве примера результаты металлографических исследований соединений ситалл-титан-ситалл, полученные при разрядных напряжениях 4,6,8 и 10 кВ. При этом на рис. 13 а наблюдается наличие пористости в середине металлической прослойки при напряжении разряда 4 кВ, а на рис. 13 г видно наличие несплошностей металла при напряжении разряда более 10 кВ. Эти факты указывают на вероятность получения неудовлетворительного качества соединения через титановую прослойку.

ШШЯЯШ^^ш • -ТИГЛИ 11

¡¡В ЩЩ I

б)

Рис. 13. Сварное соединение ситалл-титан-ситалл: ■ напряжение 4 кВ; б - напряжение б кВ; в - напряжение 8 кВ; г - напряжение 10 кВ

Замена материала прослойки на сплав 47 НД улучшает качество соединения, о чем свидетельствует отсутствие трещин на образцах ситалла и феррита независимо от энергии разряда.

а)

Феррит ♦фврри*

в)

Кварц »сигами

б)

СитаПЛ •¡•ситвип

/г

1*34бв7ВО10

иДЖ

Г)

Рис. 14. Технологические режимы сварки следующих пар материалов: а - кварц + кварц; 6 - кварц + ситалл; в - ситалл + ситалл; г - феррит + феррит -титан, — сплав 47 НД

Результаты механических испытаний прочности соединений на сдвиг, представленные на рис. 14, подтверждают этот вывод. Толщина прослоя из титана - 15 мкм, из сплава 47 НД - 50 мкм, усилие сжатия 10МГ1а.

Таким образом, за оптимальные режимы соединения через электрически взрываемые прослои из сплава 47НД толщиной 50 мкм с размерами 10x10 мм могут быть приняты следующие параметры для указанных выше материалов: напряжение разряда 10 кВ, ток контура 1^3 = 1,1 МА, 12 = 1,5 МА, усилия сжатия 10 МПа, температура предварительного нагрева в камере 673 К и вакуум 10"5 Па.

Ферриты 10 Сч-8 + медь МБ выдерживают термохимические нагрузки 2-й степени жесткости (рис. 15).

Рис. 15. Зона сварного соединения «феррит -1 ОСч-8 с медью МБ»: а-1 - медь МБ, 2 зона взаимодействия, 3 - феррит 10Сч-8 (увеличение - 100х); б -1 - медь МБ, 2 - зона взаимодействия (увеличение - 300х); в -1 - зона взаимодействия, 2 - феррит 10Сч-8 (увеличение - 500х)

В разработанной установке проведены эксперименты, по соединениям рубин + рубин, нитридная керамика+нитридная керамика, феррит 40Сч~ 2 + керамика ВК94-2, по герметизации корпуса лазерного гироскопа из кварца и заглушки из ситалла. Эксперименты дали положительные результаты.

В пятой главе приведены результаты работы, принятые к внедрению на предприятии ОАО «НПП «Контакт» для изготовления металлоке-рамических узлов на основе алюмооксидной керамики для приборов: тиратронов газоразрядных импульсных типа ТГИ-1000, ТГИ-2000, ТГИ-5000; мощных генераторных ламп (МГ'Л) типа ГУ-53, ГИ-64, ферритометалличе-ских приборов СВЧ-диапазона, металлокерамических узлов ЗАО «Феррит-Квазар» для вентилей, циркуляторов и фазовращателей, антенно-фидерных устройств, они апробированы при герметизации корпуса лазерного гироскопа из кварцевого стекла заглушкой из ситалла. Описаны принципиальные схемы устройств, перспективных для изготовления изделий электронной техники, разработанные на кафедре ЭМС СГТУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТ)5

На основании исследований решена актуальная научная задача, заключающаяся в разработке технологий изготовления узлов электронных и газоразрядных приборов на основе соединения материалов через электрически взрываемые прослои в вакууме при пониженных температурах и давлениях, обеспечивающих получение качественных соединений металлов, металлов с неметаллическими материалами и неметаллов с неметаллами, которые ранее не соединяли между собой.

1. Разработанные технологические основы соединения через электрически взрываемые в вакууме металлические и стеклянные прослои па основе колебательного контура позволяют вводить энергию непосредственно в зону контакта и изготавливать узлы приборов из материалов, которые ранее не соединялись при уменьшенных до 30(К400°С температурах и давлениях 1(Н12 МПа без применения драгметаллов.

2. Предложена кинетическая схема образования соединений с использованием электрического взрыва проводников с учетом трех стадий процесса и сложных физико-химических процессов на каждой из них.

3. Предложена методика расчета электрических параметров колебательного контура, оценивающая зависимость сопротивления проводника, тока в цепи разряда и напряжения на батарее конденсатора от времени, что позволяет с учетом сопротивления прослоя рассчитать электрические па. раметры цепи.

4. Предложенная перколяционная модель позволяет раскрыть физический механизм электрического взрыва проводника: плавление начинается с границ зерен, распространяется вглубь, образуя кластер пустот, при этом общее сопротивление проводника увеличивается и стремится к бесконечности с образованием разрыва прослоя.

5. Установлено, что плавление и последующая кристаллизация металлической прослойки приводят к кристаллографической подстройке кристаллической решетки металла к кристаллической решетке неметаллического материала, что на уровне наноразмеров, в свою очередь, приводит к формированию качественного соединения. Можно полагать, что термодинамически это приводит к большему выигрышу энергии.

6. Проведен расчет термоупругих напряжений, возникающих в соединении двух плоских деталей разнородных материалов, соединяемых через прослои, показывающий, что наибольшие нормальные напряжения достигают максимума на краю, а касательные напряжения - на расстоянии 0,3 Ь (толщина прослоя) от края прослоя.

7. Разработана и изготовлена специальная установка для соединения узлов приборов из металлов, металлов с неметаллами и неметаллов с неметаллами через электрически взрываемые прослои в вакууме.

8. За оптимальные режимы соединения через электрически взрываемые прослои из сплава 47НД толщиной 50 мкм с размерами образцов 10x10 мм для указанных пар материалов могут быть приняты следующие параметры: напряжение разряда 10 кВ, усилия сжатия 10 МПа, температура предварительного нагрева в камере 673 К и вакуум 10"5 Па. Соответствующая этим параметрам прочность составляет: ситалл+ситалл - 60 МПа, ситалл+кварц - 60 МПа, кварц+кварц - 70 МПа, феррит+феррит - 55 МПа.

9. Результаты работы приняты к внедрению в ОАО «НПП «Контакт» при изготовлении металлокерамических узлов, электронных приборов и в ЗАО «Феррит-Квазар» для ферритометаллических и ферритокерамических узлов приборов СВЧ-диапазона и апробированы при герметизации корпуса лазерного гироскопа.

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

В изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Кошошков, В.Г. Перспективный метод соединения неметаллических материалов электронной техники /В.Г. Конюшков, А.Н. Балакин //Вестник Саратовского государственного технического университета. -2010. - № 2. - С.143-147.

2. Конюшков, В.Г. Нанотехнологии при соединении металлов с неметаллическими материалами через электрически взрываемые прослои /P.A. Мусин, В.Г. Конюшков, А.Н. Балакин // Сварка и диагностика. -2009. №2 (март-апрель). - С. 17-20.

В других изданиях:

3. Кошоппсов, В.Г. Механизм формирования соединения при сварке с использованием ЭВП /О.Ю. Жевалев, В.Г. Конюшков, И.А. Ва-силькова, А.Н. Балакин II Быстрозакаленные материалы и покрытия-2006: сб. тр. 5-й Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф. - М.: МАТИ 2006.-С. 29-31.

4. Кошошков, В.Г. Нанотехнологии при сварке через электрически взрываемые прослои в вакууме / В.Г. Конюшков, A.A. Копенкин, ИЛО. Соколова // Труды Междунар. Российско-Казахстанско-Японской науч. конф. - М.: МГМУ, 2009. - С. 349-354.

5. Конюшков, В.Г. Принципы разработки технологии и оборудования для сварки через взрывающиеся прослои / В.Г. Конюшков, А.Н.Калакин, И.А. Василькова // Быстрозакаленные материалы и покрытия: сб. тр. 6-й Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф. - М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2007. - С.233-237.

6. Конюшков, В.Г. Технологические особенности сварки диэлектриков с использованием взрывающихся проводников / А.Я. Зоркин, В.Г. Кошошков, СЛ. Павлов // Тонкопленочные покрытия: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. Томск: Изд-во ТГУ, 2008. - С.243-244.

7. Конюшков, В.Г. Модель процессов соединения диэлектриков способом взрывающихся проводников / А.Я. Зоркин, О.Ю. Жевалев, В.Г. Конюшков // Быстрозакаленные материалы и покрытия: сб. тр. 7-й Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф.- М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э.Циолковского, 2007. - С.390-394.

8. Конюшков, В.Г. Напряженно-деформированное состояние в сварных соединениях, полученных способом взрывающихся проводников /

A.Я. Зоркин, В.Г. Конюшков, С.П. Павлов // Современные проблемы машиностроения: тр. IV Междунар. науч.-техн. конф.- Томск: Изд-во ТГУ, 2008. - С.340-342.

9. Конюшков, В.Г. Кристаллографические аспекты образования соединений разнородных материалов в твердой фазе /Р.А.Мусин, Г.В. Конюшков, В.Г. Конюшков И Современные проблемы машиностроения: тр. IV Междунар. науч.-техн. конф. - Томск: Изд-во ТГУ, 2008. - С.418-422.

10. Конюшков, В.Г. Нанотехнологические основы сварки через электрически взрываемые проводники в вакууме / В.Г. Конюшков, A.A. Копенкин, И.Ю. Соколова // Вакуумная техника и технология: материалы IV Рос. студ. науч.-техн. конф. Казань; Изд-во КГТУ, 2009. - С. 147-148.

11. Конюшков, В.Г. Влияние термомеханических характеристик припоя на термоупругие напряжения трехслойных пластин / А.Я. Зоркин,

B.Г. Конюшков, С.П.Павлов, М.В. Жигалов // Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 74-78.

12. Конюшков, В.Г. Нанотехнологии при соединении металлов с неметаллическими материалами через электрически взрываемые прослои / P.A. Мусин, В.Г. Конюшков // Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2009.-С. 161-165.

13. Конюшков, В.Г. Перколяционная модель электрического взрыва проводников в вакууме / В.Г. Конюшков, А.Я. Зоркин И Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф. ММТТ-22: в 10 т. - Псков: Изд-во ПГТУ, 2009. т:8. - С. 160-162.

14. Конюшков, В.Г. Нанотехнологии при сварке через электрически взрываемые прослои в вакууме / В.Г. Конюшков, A.A. Копенкин, И.Ю.Соколова // Вакуумная наука и техника: материалы XVI науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - М.: МИЭМ, 2009. - С. 44-47.

15. Конюшков, В.Г. Перколяционная модель электрического взрыва проводников в вакууме / В.Г. Конюшков // Вакуумная наука и техника: материалы XVI науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов -М.: МИЭМ, 2009. - С. 47-51.

16. Конюшков, В.Г. Нанотехнологии при сварке через электрически взрываемые прослои в вакууме / В.Г. Конюшков // Успехи современной электротехнологии: тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. - С. 211-214.

17. Конюшков, В.Г. Модель нанотехнологии соединения материалов способом электрического взрыва проводников / АЛ. Зоркин, В.Г. Конюшков // тр. Междунар. Российско-Казахстанско-Японской науч. конф. - М.: МГМУ, 2009. - С. 338-343.

СОЕДИНЕНИЕ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА ПРОСЛОЕВ В ВАКУУМЕ

Саратовский государственный технический университет 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

КОНЮШКОВ Владимир Геннадьевич

Автореферат Корректор О.А. Панина

Подписано в печать 08.04.10 Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл. печ. л 1,0 Заказ 93

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

Введение.

Глава 1 ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ МЕТОДОВ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ, МЕТАЛЛОВ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ И НЕМЕТАЛЛОВ ДРУГ С ДРУГОМ.

1.1 Основные технологические схемы высокоинтенсивных процессов соединения материалов в твердом состоянии.

1.1.1 Сварка взрывом (СВз).

1.1.2 Магнитноимпульсная сварка (МИС).

1.1.3 Вакуумно-термическая магнито-импульсная обработка (ВТ МИО)

1.1.4 Сварка импульсным электрическим разрядом в жидкости (СИЭЖ).

1.1.5 Ударная сварка в вакууме (УСВ).

1.1.6 Диффузионная сварка (ДС).

1.1.7 Соединение через электрически взрываемые прослои в вакууме (СВзПВ).

Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА ПРОСЛОЕВ НА ОСНОВЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЦЕССА.

2.1 Классификация методов сварки взрывом проводников и особенности отдельных этапов взрыва в вакууме.35 '

2.2 Разработка моделей процесса электрического взрыва проводников на основе колебательного контура с переменным сопротивлением.

2.3 Кинетическая схема образования соединения при сварке с использованием ЭВПВ.

2.3.1 Первая стадия - электрический взрыв проводника.

2.3.2 Вторая стадия — химическое взаимодействие.

2.3.3 Третья стадия - объемное диффузионное взаимодействие.

Глава 3 РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА ПРОСЛОЕВ И ПРОЦЕССА

ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЯ ПРОДУКТАМИ ВЗРЫВА.

3.1 Процесс формирования прослоев продуктами электрического взрыва проводника.

3.2. Электрический взрыв прослоев из фольги. Перколяцонная модель взрыва.

3.3 Кристаллографические аспекты нанотехнологий соединения разнородных материалов через электрически взрываемые прослои.

3.4 Термоупругие напряжения в компенсированных трехслойных металлокерамических узлах.

Глава 4 РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ, МЕТОДИК ИССЛЕДОВАЕНИЙ, РЕЖИМОВ НАНОТЕХНОЛОГИЙ СОЕДИНЕНИЙ НЕМЕТАЛЛОВ С НЕМЕТАЛЛАМИ И МЕТАЛЛОВ С НЕМЕТАЛЛАМИ И ИССЛЕДОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ.

4.1 Опытно-промышленная установка для сварки.

4.2 Разработка методик и экспериментальные исследования.

4.3 Результаты экспериментальных исследований.

4.4 Соединение пьезоэлектрических керамик с металлами.

Глава 5. ОПРОБИРОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ СХЕМ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ВЗРЫВАЕМЫЕ ПРОВОДНИКИ.

5.1 Изготовление корпуса лазерного гироскопа.

5.2 Разработка оборудования.

Вывод.

Актуальность проблемы. Развитие и совершенствование современного электронной, приборостроительной, авиационной, космической и других отраслей промышленности невозможно представить без применения новых конструкционных материалов на основе керамики, ситаллов, кварца, ферритов и других неметаллических материалов. Эти материалы созданы на основе оксидов различных элементов и обладают уникальными физико-химическими свойствами.

Соединения этих материалов с металлами и друг с другом широко применяются для крепления элементов высокочастотных систем, для смотровых и волноводных окон, оболочек и корпусов электронных и газоразрядных приборов, для фотокатодов в приборах ночного видения, корпусах лазерных гироскопов, в ускорительной технике, при изготовлении ювелирных изделий и др. Традиционные методы получения таких соединений — склеивание и пайка - далеко не всегда обеспечивают высокую прочность, вакуумную плотность, термостойкость, надежный тепловой и электрический контакт, сохранение свойств приборов при длительном хранении.

Методы соединения с высокоинтенсивным воздействием параметров — сварка взрывом, ударная сварка в вакууме, магнитоимпульсная сварка, вакуум-но-термическая магнитоимпульсная обработка не могут найти обоснованного применения для изготовления узлов на основе неметаллических материалов.

Наиболее перспективным методом получения таких узлов является диффузионная сварка в вакууме (ДСВ). Однако в последние годы возникают задачи, которые практически невозможно решить в рамках традиционных технологических воздействий параметров ДСВ. Например, весьма трудно получить соединения поляризованной пьезокерамики, некоторых ферритшпинелей, ситаллов и кварцевого стекла с металлами диффузионной сваркой в ее классическом варианте, так как длительное воздействие температур порядка 0,7.0,8 Тпл температура плавления) и давлений 0,8.0,9 стт приводит к необратимым изменениям свойств неметалла или к его разрушению.

Не известны работы по сварке неметаллов с неметаллами указанными выше способами, в том числе и ДСВ.

Соединение этих материалов с использованием электрического взрыва прослоев в вакууме (СВзПВ) позволяет решить эти задачи.

Широкие исследования электрического взрыва проводников (ЭВП) ведутся уже немало лет. С 50-х годов прошлого века [1,2] они прошли длинную цепь развития от применения медленных емкостных накопителей энергии до мощных генераторов Маркса импульсов высоких напряжений. История развития этих процессов впервые приведена в монографии [3] В.Г. Чейса.

Полномасштабные работы с многопроволочными нагрузками ведутся на наиболее крупных установках в США, России и других странах. В ряде центров, таких как Империал Колледж в Великобритании, Корнельский университет в США, ФИАН в России, на существенно меньших установках проводятся эксперименты по моделированию взрыва в основном отдельных проводников.

Практические применения связаны с современными исследованиями в области энергетики, термоядерного синтеза, космической техники. Многочисленные применения эффекта взрывающихся проводников превратились в настоящее время в самостоятельную отрасль науки.

Использование эффекта взрывающихся проводников весьма перспективно для соединения в твердом состоянии различных металлов, металлов с неметаллическими конструкционными материалами, а также этих материалов друг с другом для соединения новых и совершенствования существующих электронных и газоразрядных приборов.

Впервые в мировой практике эти работы начали проводиться в Саратовском государственном техническом университете. Существенный вклад в развитие принципиальных схем процессов и технологий внесли Коблов А.И., Ба-лакин А.Н., Мусин Р.А [4,5,6,7,8].

Однако сам процесс электрического взрыва проводников является достаточно сложным, связанным прежде всего с динамикой нагрева и взрыва проводников, взаимодействием продуктов взрыва с соединяемыми материалами и образованием качественных соединений различных материалов с этими продуктами и между собой.

В литературе эти процессы исследованы недостаточно и в основном для проволочных проводников. Для плоских они практически не изучались.

Целью работы является разработка принципов, моделей и технологий соединения узлов электронных приборов на основе неметаллов через электрически взрываемые прослои в вакууме.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать возможности применения высокоинтенсивных методов соединения материалов в твердом состоянии для получения качественных соединений конструкционных неметаллических материалов (керамик, ферритов, ситаллов, кварцевых стекол и др.) с металлами и друг другом; выбрать основные схемы процесса взрыва и соединения;

• теоретически исследовать электрический взрыв прослоев и разработать модель процесса для определения его параметров на основе колебательного контура с переменным сопротивлением;

• разработать кинетическую схему процесса соединения материалов в твердом состоянии через электрически взрываемые прослои при пониженных температурах и давлениях;

• разработать физические и математические модели электрического взрыва прослоев:

- разработка перколяционной модели взрыва прослоев;

- установление кристаллографических аспектов процесса взаимодействия конструкционных неметаллов с металлами через электрически взрываемые прослои;

• разработать методику расчета влияния термомеханических на термоупругие напряжения сварных соединений;

• разработать специальное оборудование, методики исследований соединений и нанотехнологий сварки неметаллов с металлами и неметаллов друг с другом.

Работа выполнялась в соответствии с программой совместных исследований и разработок ОАО "НПП "Контакт" и СГТУ, госбюджетной работой № 241 СГТУ.

Методы и средства исследований.

Исследования проводились методами теоретического и физического эксперимента с использованием основных законов электротехники, физики твердого тела, теоретических основ сварочной и вакуумной техники с широким использованием современных методов исследований, контрольно-измерительных приборов и математического аппарата. Вычислительные эксперименты выполнены на компьютере класса Athlon Х2 с использованием программного пакета инженерных расчетов MathCAD 14.0 Academic version.

Достоверность научных результатов подтверждена и сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, а также широкой апробацией их данных.

Работа пользовалась в соответствии с грантом «Перколяционная модель электрического взрыва» финансовой поддержкой по программе У.М.Н.И.К. на 2009-2010 гг. и удостоена Почетной грамоты на Пятом Саратовском салоне изобретений и инноваций 2010 г.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- Электрический взрыв прослоев в вакууме для соединения материалов может быть получен на основе колебательного контура с переменным сопротивлением и рассчитан на основе модели процесса, позволяющей определить зависимость сопротивления прослоя, тока в цепи разряда, напряжение на батарее конденсаторов и на проводнике от времени разряда при различных параметрах индуктивности и сопротивления проводника (прослоя).

- Кинетическая схема процесса соединения материалов через электрически взрываемые прослои, последовательно описывающая стадии и этапы электрического взрыва проводников, физического и объемного взаимодействия соединяемых материалов, физико-химические процессы на каждом из этих этапов и представляющая процесс в форме, удобной для технологического анализа.

- На основе предложенной перколяционной модели и экспериментальных результатов представляется следующая физическая картина эл. взрыва проводника. Так как эл. сопротивление границ зерен значительно больше сопротивления в объеме, то плавление начинается с границы зерен и распространяется в их глубь. Однако общая доля расплавленных зерен не превышает 0,7.

- Плавление и последующая кристаллизация при электрическом взрыве приводит к переориентации предпочтительных кристаллографических направлений в кристаллах металлической прослойки к решетке неметаллического материала на уровне наноразмеров, что обеспечивает формирование качественных соединений до уровня прочности одного из соединяемых материалов.

- Технологические режимы технологий соединения кварц+кварц, си-талл+ситалл, феррит+феррит, пьезокерамика+пьезокерамика для сварки через прослои на основе металлографических, фарактографических, рентгеноспек-тральных исследований и механических испытаний.

Научная новизна работы:

• Установлено, что по сравнению со всеми известными методами сварки материалов в твердом состоянии метод соединения через взрывающиеся прослои в вакууме перспективен для получения качественных узлов при уменьшенных до 0,2+0,3 Тпл температур и удельных давлениях.

• Построена модель колебательного контура с переменным сопротивлением, позволяющая рассчитать зависимость сопротивления, тока в цепи разряда, напряжения на батарее конденсатора и проводнике от времени разряда, величине активного сопротивления, индуктивности с целью выбора технологических параметров взрыва прослоев.

• Разработана кинематическая модель процесса, описывающая весь сложный спектр электрических, физическо-химических и объемного взаимодействия при электрическом взрыве прослоя и контактировании соединения материалов на всех стадиях и этапах процесса.

• Согласно впервые предложенной перколяционной модели и экспериментальным результатам описана физическая картина эл. взрыва металлических прослоев.

• Впервые установлено, что после электрического взрыва и кристаллизации прослоя происходит переориентация предпочтительных направлений в кристаллах прослоя к решетке неметаллического материала, сопровождаемое изменением параметров решетки на уровне наноразмеров, выигрышу свободной энергии поверхности и формированию качественных соединений.

• Комплексом современных методов исследований установлены параметры процесса получения качественных соединений СВзПВ узлов из следующих пар материалов: ситалл-ситалл, кварц-кварц, ситалл-кварц, ферриты-ферриты через прослойку из сплава 47НД, пьезокерамика+пьезокерамика.

Практическая значимость.

• Разработана и изготовлена полупромышленная установка для соединения металлов, металлов с неметаллами и неметаллов с неметаллами через электрически взрываемые прослои.

• Разработаны методики проведения экспериментальных исследований по соединению материалов в указанной установке.

• Впервые разработаны оптимальные режимы сварки через электрически взрываемые прослои из сплава 47 НД толщиной 50 мкм с размерами образцов 10x10 мм для указанных пар материалов, принятые к внедрению в ОАО «Контакт» и использованные в госбюджетной работе №241 "Разработка теоретических основ формирования вакуумных эмиссионных характеристик электронных приборов, сварных соединений и покрытий на основе нанокристал-лических и аморфных диссипативных структур".

• Результаты исследований рекомендованы к внедрению в ОАО «НЛП Контакт» г. Саратов.

• Материалы исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Электронное машиностроение и сварка» СГТУ в виде лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Технология материалов и изделий электронной техники» и «Оборудование и технология сварки и пайки изделий электронной техники».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 5-й Всероссийской с международным участием НТК «Быстроза-каленные материалы и покрытия» и научно-техническом семинаре «Диффузионная сварка и её роль в современной технике», «МАТИ» РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2006 г., 2007 г., 2008 г., «Современные проблемы машиностроения» труды 4 межд. научно-техн. конф. Томск 2008 г., на Четвертой Российской студенческой НТК «Вакуумная техника и технология» КГТУ — Казань, НТК «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы» Саратов 2009, на Международной НТК «Успехи современной электротехнологии» Саратов 2009, на XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-22, Псков 2009, на Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», Сочи 2009, на Международной Российско-Казахстанско-Японской научной конференции, Волгоград 2009, на Пятом Саратовском салоне изобретений и инноваций 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ (в том числе 1 статья в изданиях рекомендованных ВАК РФ), 17 статей в научных сборниках.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследования, разработке методик и моделей исследований, модернизации оборудования и разработке технологий.

Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с научным руководителем и с соавторами публикаций. Основные выводы по проведенной работе сформулированы автором работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 56 наименований, акта использования результатов в производстве. Работа изложена на 128 страницах, содержит 57 рисунков и 4 таблицы.

Основные выводы по работе.

На основании исследований решена актуальная научная задача, заключающаяся в разработке основ нанотехнологий соединения материалов через электрически взрываемые прослои в вакууме при пониженных температурах и давлениях, обеспечивающая получение качественных соединений металлов, металлов с неметаллическими материалами и неметаллов с неметаллами.

1. Впервые разработана расчетная модель процесса электрического взрыва металлических прослоев в вакууме, описывающая последовательный колебательный контур с переменным сопротивлением, позволяющая рассчитать зависимость сопротивления проводника, тока в цепи разряда, напряжения на батарее конденсатора и на проводнике от времени разряда при известных величинах индуктивности, емкости конденсатора и начальном сопротивлении проводника

2. Впервые разработана кинетическая схема образования соединений при сварке с использованием электрического взрыва проводников с учетом 3-х стадий процесса и сложных физико-химических процессов на каждой из них.

3. Согласно предложенной перколяционной модели и экспериментальным результатам представляется следующая физическая картина эл. взрыва проводника. Так как эл. сопротивление границ зерен значительно больше сопротивления в объеме, то плавление начинается с границы зерен и распространяется в их глубь. Вследствие случайного распределения сопротивлений границы отдельные зерна плавятся и распыляются случайным образом, образуя кластер пустот, при этом общее сопротивление проводника увеличивается и стремится к бесконечности с образованием разрывного кластера. Однако общая доля расплавленных зерен не превышает 0,7. Ценность таких представлений заключается в том, что для взрыва необходимо использовать проводник с мелкозернистой структурой. В случае крупных зерен, они плавятся не полностью, поэтому степень разрушения проводника при электрическом взрыве уменьшается.

4. Впервые установлено, что плавление и последующая кристаллизация металлической прослойки приводит к переориентации предпочтительных кристаллографических направлений, т.е. кристаллографической подстройке кристаллической решетки металла к кристаллической решетке неметаллического материала, что, в свою очередь, приводит к формированию качественного соединения. Можно показать, что термодинамически это приводит к большему выигрышу энергии.

5. Разработана методика расчета термоупругих напряжений, возникающих в сварном соединении двух плоских деталей разнородных материалов, соединяемых через прослои. Расчет показывает, что наибольшие нормальные напряжения достигают максимума на краю, а касательные напряжения - на расстоянии 0,3h (толщина прослоя) от края прослоя.

6. Разработана и изготовлена полупромышленная установка для соединения-сварки металлов, металлов с неметаллами и неметаллов с неметаллами через электрически взрываемые прослои со следующими техническими параметрами: накопитель энергии на основе импульсного конденсатора суммарной емкостью 200 мкФ и рабочим напряжением ЮкВ, максимальная амплитуда разрядного тока 60 кА, частота следования импульсов до 450 импульсов в час, питающее напряжение 380 В, высокий вакуум порядка 10"5 Па, предсварочный нагрев до 773°К.

7. Выполненные экспериментальные рентгеноструктурные металлографические, фрактографические, механические, микроспектральные и вакуумноп-лотные исследования следующих пар материалов: ситалл 115М+ситалл, кварцевое стекло КУ-1+кварц, феррит-шпинель 10С48+феррит через электрически взрываемые прослои из Ti и сплава 47НД толщиной 15-50 мкм показали, что лучшие результаты получены при использовании в качестве прослоя фольги из сплава 47НД толщиной 50 мкм.

8. Рентгеноструктурное исследование поверхности никелевой прослойки после разрушения соединения по границе контакта показало существенное изменение интенсивностей рефлексов от плоскостей с малыми индексами Миллера. Табличное соотношение интенсивностей рефлексов плоскостей (111):(200):(220):(311) составляет соответственно 100:50:32:32, а после соединения 100:394:124:106. Это свидетельствует о том, что при кристаллизации зерна Ni ориентируются к подложке преимущественно гранями куба элементарной ячейки. Можно полагать, что термодинамически это приводит к большему выигрышу энергии, поскольку свободная энергия грани куба ячейки никеля составляет 1060 мДж/м , а плоскости пространственной диагонали (111) -926 мДж/м2.

9. За оптимальные режимы сварки через электрически взрываемые прослои из сплава 47НД толщиной 50 мкм с размерами образцов 10x10 мм для указанных пар материалов могут быть приняты следующие параметры напряжение разряда 10 кВ, усилия сжатия 10 МПа, температура предварительного нагрева в камере 673 °К и вакуум 10"5 Па. Соответствующая этим параметрам прочности составляет: ситалл+ситалл - бОМПа, ситалл+кварц - 60 МПа, кварц+кварц - 70 МПа, феррит+феррит - 55 МПа. Режимы приняты к внедрению в ОАО «Контакт».

1. F.D. Bennet. High temperature exploding wires. 1.: Progress in high-temperuture physics and chemistry, N-Y, Pergamon Press, 2, 1-63, 1968.

2. Бурцев В.А. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках / В.А. Бурцев, Н.В. Калинин, А.В. Лучинский. — Энергоатомиздат, 1990.

3. W.G. Chace, Н.К. Moor, editors. Exploding wires. N.Y.: Plenum press. V.l, 1959; V.2,1964; V.3, 1965; V.4, 1968.

4. Конюшков Г.В. Кинетика образования соединения при сварке с использа-ванием электрического взрыва проводников в вакууме / Г.В. Конюшков, А.Н. Балакин, О.Ю. Жевалев, Р.А. Мусин // Сварочное производство. -2001.- №4. -С. 28-29.

5. Конюшков Г.В. Сварка разнородных материалов через прослойку, формируемую электрическим взрывом металлических проводников в вакууме / Г.В. Конюшков, А.И. Коблов, А.Н. Балакин // Автоматическая сварка. -1991.-№5.-С. 64-65.

6. Конюшков Г.В. Специализированное оборудование для сварки через прослойку формируемую электрическим взрывом проводников / Г.В. Конюшков, А.И. Коблов // Сварочное производство. 1995. - №7. - С. 31-33.

7. Конон Ю.А. Сварка взрывом / Ю.А. Конон, Л.Б. Первухин, А.Д. Чудновский: под общ. ред. В.М. Кудинова.- М.: Машиностроение. 1987. -216 с.

8. Ю.Сварка. Резка. Контроль. / Под общ. ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышева. М.: Машиностроение. - 2004. - Т.1. - 624с.

9. Харченко Г.К. Новый способ сварки давлением / Г.К. Харченко, А.И. Иг-натенко // Достижения и перспективы развития диффузионной сварки. -Общество "Знание" РСФСР. 1987. - С. 97-100

10. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка металлов / Н.Ф. Казаков. — М.: Машиностроение. 1976.

11. Chace W.G., Levine М.А., Appl. Phys., 31, 1298 (1960).

12. Лебедев K.B. Некоторые результаты исследования электрического взрыва проводников / К.В. Лебедев, А.И. Савватинский // Физика и химия обработки материалов. 1976. - №1. С. 6-14.

13. Дихтер И.Я. Исследование некоторых теплофизических свойств вольфрама и молибдена вблизи точки плавления методом электрического взрыва / И .Я. Дихтер, С.В. Лебедев // Теплофизика высоких температур. 1971. -Т.9 - №5. - С. 929-933.

14. Зоркин А .Я. Конюшков в.Г., Балакин А.Н. Технологические особенности сварки диэлектриков с использованием взрывающихся проводников. Труды IV Международной научно-технической конференции современные проблемы машиностроения. Томск, 2008, С. 343-344.

15. Мусин Р.А. Соединение металлов с неметаллическими материалами / Р.А. Мусин, Г.В. Конюшков. М.: Машиностроение. - 1991. — С. 224.

16. Мартынюк М.М. Фазовый взрыв метастабильной жидкости / М.М. Мар-тынюк // Физика горения и взрыва. 1977. - №2. - С. 213-228.

17. Роуз К. Максимальная температура взрыва проволочек в вакууме / К. Роуз // Электрический взрыв провдников. — М.: Мир, 1965. — С. 43-46.

18. Бекер Л. Изучение реакций вода-металл с помощью техники взрывающихся проволочек / Л. Бекер, Р. Вархал // Электрический взрыв проводников. М.: Мир. - 1965. - С. 238-259.

19. Харламов Ю.А. Влияние скорости соударения на термический цикл между расплавленной частицей и поверхностью твердого тела / Ю.А. Харламов // Физика и химия обработки материалов. 1987. - №6. - С. 82-87.

20. Гейзер А. Ускорение тонких пластин с помощью взрывающейся фольги / А. Гейзер, Д. Вунш, Т. Соупс // Электрический взрыв проводников. М.: Мир. - 1965.-С. 317-340.

21. Келлер Д. Применение взрывающейся фольги для получения плоских ударных волн и ускорения тонких пластинок / Д. Келлер, Дж. Пеннинг // Электрический взрыв проводников. -М.: Мир. 1965. - С. 299-316.

22. Беннет Ф. Ударные волны, возбуждаемые с помощью взрывающихся проволочек при низком давлении окружающего газа/ Ф. Беннет, Д. Шир // Электрический взрыв проводников. М.: Мир. - 1965. - С. 204-224.

23. Мусин Р.А. Объемное взаимодействие при сварке оптических керамик с металлами / Р.А. Мусин // Диффузионное соединение в вакууме. 1973. -М.: Изд. Минвуз РСФСР, Проблемная лаборатория диффузионной сварки. - №6. - С. 62-71.

24. Конюшков Г.В. Диффузионная сварка в электронике / Г.В. Конюшков, Ю.Н. Копылов // М.: Энергия. 1974. - 168 с.

25. 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.

26. Конюшков Г.В., Физические и химические основы формирования соединений металлов с неметаллическими материалами / Г.В. Конюшков, Р.А. Мусин, X. Херольд, О.Ю. Жевалев, А.Н. Балакин // Сварка и диагностика. 2007. - №1, №2. - С. 6-8, С. 16-17.

27. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники / JI.A. Бессонов // М.: Гардарики. 2002. - 638 с.

28. Гулд X. Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. — М. Мир, 1990.

29. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе / Ю.Л. Красулин // М.: Наука. 1971. - 120 с.

30. Мазур А.И. Процессы сварки и пайки в производстве полупроводниковых приборов / А.И. Мазур, В.П. Алехин, М.Х. Шоршоров // М.: Радио и связь. 1981.-224 с.

31. Панин В.Е. Структурные уровни деформации твердых тел / В.Е. Панин, В.А. Лихачев, Ю.В. Гриняев // Новосибирск: Наука. 1985. - 230 с.

32. Залкин В.М. Теоретические основы холодной сварки металлов давлением / В.М. Залкин // Сварочное производство. 1982. - № 11. - С. 41-42.

33. Сомов А.И. Эвтектические композиции / А.И. Сомов, М.А. Тихоновский // М.: Металлургия. 1975. - 304 с.

34. Окисление металлов. Теоретические основы /Под ред. Бенара Ж. // М.: Металлургия. 1967. - Т.1. - 499 с.

35. Служалец А. Исследование текстуры поверхности в процессе холодной сварки алюминия со сплавом Al-Mg-Si-Mn / А. Служалец, И. Кнап // Автоматическая сварка. 1978. - № 11. - С. 17-20.

36. Казаков Н.Ф., Новиков В.Г., Екимов А.И. Автоматическая сварка, 1983, №5, С. 71-72.

37. Конюшков, В.Г. Перколяционная модель электрического взрыва проводников в вакууме / В.Г. Конюшков // XVI Научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» -М.: МИЭМ 2009. С. 47-51.

38. Конюшков, В.Г. Нанотехнологии при сварке через электрически взрываемые прослои в вакууме / В.Г. Конюшков // Труды Международной научно-технической конференции «Успехи современной электротехнологии» Саратов, Изд-во СГУ 2009. - С. 211-214.

39. Конюшков, В.Г. Нанотехнологии при сварке через электрически взрываемые прослои в вакууме / В.Г. Конюшков, А.А. Копенкин, И.Ю. Соколова // Труды Международной Российско-Казахстанско-Японской научной конференции М.: МГМУ, 2009. - С. 349-354.

40. Конюшков, В.Г. Модель нанотехнологии соединения материалов способом электрического взрыва проводников / А.Я. Зоркин, В.Г. Конюшков // Труды Международной Российско-Казахстанско-Японской научной конференции М.: МГМУ, 2009. - С. 338-343.

41. Утверждаю" ^^■•д^^фальный директор

42. Акт использования результатов диссертационной работы Конюшкова В.Г.

43. Соединение узлов электронных приборов методом электрического взрыва прослоев в вакууме»

44. Контакт", технических наук . Муллин2010 г.

45. В рамках этих работ подготовлена диссертационная работа Конюшкова Владимира Геннадьевича «Соединение узлов электронных приборов методом электрического взрыва прослоев в вакууме» (научный руководитель Балакин А.Н.).

46. Разработана и изготовлена полупромышленная установка для соединения металлов, металлов с неметаллами и неметаллов с неметаллами через электрически взрываемые прослои.

47. Разработаны методики проведения экспериментальных исследований по соединению материалов в указанной установке.

48. Впервые разработаны оптимальные режимы соединения через электри- , чески взрываемые прослои из сплава 47НД толщиной 50 мкм с размерами ! образцов 10x10 мм для указанных пар материалов. ■

49. Результаты исследований представлены на научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника» 2009 г. и удостоены Почетной грамоты на 5-м Саратовском салоне изобретений и инноваций 2010 г.

50. Помощник Генерального дирею ора