Устройство для нанесения в электрическом поле на один из электродов покрытий из материалов в виде порошка (варианты) - RU2190040C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к оборудованию для нанесения в электрическом поле покрытий из порошков различных веществ на различные подложки и может найти применение в энергетике, оптической, бумажной, машиностроительной, приборостроительной, электрохимической, радио- и электронной промышленности.

Известно устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее кольцевой и центральный коаксиальные электроды с изолятором между ними, направляющее сопло, выполненное в виде сопла Лаваля и снабженное установленной на его срезе цилиндрической насадкой с перфорированными стенками, причем торцы центрального электрода и изолятора расположены в одной плоскости, лежащей параллельно и ниже плоскости торца кольцевого электрода, к которому плотно прижата взрываемая фольга, а расстояние h между этими плоскостями выбирается из выражения 0,1R(R-r), где R и r - соответственно внутренний радиус кольцевого электрода и радиус центрального электрода (см. авт. свид. СССР 1482246 от 26.05.87 по кл. С 23 С 14/32).

Недостатками этого устройства являются:
- ограниченная номенклатура осаждаемого материала - только электропроводящие материалы, в частности металлы;
- небольшие размеры поверхностей, на которые наносится покрытие, ограниченные диаметром выходной части сопла;
- высокое энергопотребление устройства, вызванное необходимостью приложения высокого напряжения для разрушения и диспергирования фольги, находящейся в твердом состоянии;
- сложность получения покрытия заданного состава, обусловленная тем обстоятельством, что при взрыве фольги частица разогревается и взаимодействует со средой, меняя свой состав.

Известно устройство для нанесения вакуумного покрытия сложного состава, содержащее подложку, два источника питания и не менее двух распылителей, аноды которых подключены к положительному полюсу первого источника питания, а катоды-мишени через соответствующие ключевые элементы, соединенные с блоком управления, к отрицательному полюсу первого источника, при этом отрицательный полюс второго источника питания через ключевые элементы, подключенные к блоку управления, соединен с подложкой, а его положительный полюс подключен к анодам распылителей (см. патент РФ 1828142 от 31.01.91 по кл. С 23 С 14/54). При нанесении покрытий с помощью этого устройства производят поочередное распыление мономатериала из катода-мишени и последующую его ионную очистку посредством подключения ключевыми элементами распылителей и подложки ко второму источнику питания и в противоположной полярности.

Недостатками этого устройства являются:
- высокое энергопотребление устройства, вызванное необходимостью приложения высокого напряжения для разрушения и диспергирования частиц из твердого катода-мишени, особенно для испарения тугоплавких материалов, а также для поддержания вакуума;
- сложность получения заданного состава покрытия, обусловленная, во-первых, невозможностью использовать в мишенях материалы сложного состава, а во-вторых, изменением состава частиц наносимого материала, которые при испарении разогреваются и взаимодействуют со средой.

Известно устройство для нанесения в электрическом поле на один из электродов покрытий из материалов в виде порошка, включающее электроды и образованную ими камеру, в которой размещен порошок. Порошок состоит из частиц металлов и их неорганических соединений с размерами 10-500 мкм; газовая атмосфера в камере между электродами имеет давление газа до 10⁸ Па; электрод, на который наносится покрытие, является катодом, т.е. подключен к отрицательному полюсу источника постоянного тока, причем к электродам приложено напряжение 5-100 кВ (см. патент РФ 2072179 от 18.07.94 по кл.С 23 С 10/00).

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения. Энергопотребление этого устройства значительно ниже, чем в описанных ранее устройствах, т.к. для нанесения покрытия требуется лишь создать электрическое поле, позволяющее весьма мелким частицам порошка преодолеть сумму сил тяжести и адгезионного взаимодействия с электродом, разрушения же твердого вещества, как в описанных выше примерах, не требуется. При нанесении покрытия используется эффект переноса масс при электродинамическом псевдоожижении порошков без длительного взаимодействия разогретых частиц со средой, что позволяет получать покрытия заданного состава.

Однако известное устройство обладает рядом недостатков:
- ограниченной номенклатурой осаждаемых материалов (металлы и их неорганические соединения);
- ограниченной номенклатурой материалов подложек, на которые наносится покрытие (обязательно электропроводящие);
- невозможностью нанесения покрытий на движущиеся подложки;
- относительно большими потерями осаждаемого материала в связи с использованием только одного потока частиц;
- невозможностью получить двухстороннее покрытие подложки;
- ограниченными возможностями получения покрытий сложного состава.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания устройства для нанесения в электрическом поле покрытий, в том числе сложного состава, из материалов различной электропроводности на подложки, в том числе движущиеся, из материалов различной электропроводности, которое позволяло бы наносить также двухсторонние покрытия.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в первом варианте выполнения устройства для нанесения в электрическом поле на один из электродов покрытий из материалов в виде порошка, включающего электроды и образованную ими камеру, в которой размещен порошок, порошок состоит из частиц размером от 1 до 500 мкм, причем поле между электродами имеет напряженность 5 - 500 кВ/см, а газовая атмосфера в камере имеет абсолютное давление газа не более 3• 10⁷ Па; электроды могут быть выполнены с возможностью взаимного перемещения; к электродам может быть подведено напряжение, создающее между ними электрическое поле переменной напряженности; электрод, на который наносится покрытие, может быть выполнен или из металла, или из полупроводника, или из диэлектрика, которому сообщена электропроводность; порошок состоит из частиц материалов различной электропроводности: или проводников, или полупроводников, или диэлектриков, или различной их комбинации; порошок может состоять из двух или более компонентов; устройство может быть снабжено или нагревателем, или источником лазерного излучения; атмосфера в камере между электродами может быть разрежена до состояния вакуума.

Во втором варианте выполнения устройства для нанесения в электрическом поле на один из электродов покрытий из материалов в виде порошка, включающего электроды, между которыми размещен порошок, электрод, на который наносится покрытие, размещен внутри камеры, образованной посредством по меньшей мере одного электрода противоположной полярности, при этом порошок состоит из частиц размером от 1 до 500 мкм, причем поле между электродами имеет напряженность 5 - 500 кВ/см, а газовая атмосфера в камере имеет абсолютное давление газа не более 3•10⁷ Па; электроды могут быть выполнены с возможностью взаимного перемещения; к электродам может быть подведено напряжение, создающее между ними электрическое поле переменной напряженности; электрод, на который наносится покрытие, может быть выполнен или из металла, или из полупроводника, или из диэлектрика, которому сообщена электропроводность; порошок состоит из частиц материалов различной электропроводности: или проводников, или полупроводников, или диэлектриков, или различной их комбинации; порошок может состоять из двух или более компонентов; устройство может быть снабжено или нагревателем, или источником лазерного излучения; атмосфера в камере между электродами может быть разрежена до состояния вакуума.

Заявителю не известны какие-либо источники информации, содержащие сведения о техническом решении, идентичном признакам, приведенным в формуле настоящего изобретения. Это определяет, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию "новизна".

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы) достигается принципиально новый технический эффект, заключающийся в обеспечении возможности нанесения покрытий не только на стационарные, но и на движущиеся подложки; в расширении номенклатуры покрытий и подложек, обусловленном возможностью нанесения высококачественных покрытий из материалов различной электропроводности, в том числе и покрытий сложного состава, на подложки, выполненные из материалов различной электропроводности, в том числе и диэлектрические, которым сообщена электропроводность; в обеспечении возможности нанесения двухсторонних покрытий; а также невысокой стоимости аппаратуры, в частности, благодаря возможности использования источников переменного тока или источников постоянного тока с повышенными пульсациями.

Заявителем не выявлена какая-либо известная информация о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат, что обусловливает соответствие предложенного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
на фиг. 1 - схематическое изображение устройства для нанесения одностороннего покрытия на движущуюся подложку;
на фиг.2 - вариант устройства для нанесения в электрическом поле одностороннего покрытия на плоскую положку, вид в разрезе;
на фиг. 3 - вариант устройства для нанесения двухстороннего покрытия на плоскую подложку.

Устройство по первому варианту выполнения (фиг.2) содержит две группы электродов 1,2 противоположной полярности и образованную ими камеру 3, в которой находится материал покрытия в виде порошка 4.

Устройство по второму варианту выполнения (фиг.1,3) содержит электроды 1,2, между которыми размещен порошок 4; электрод 2, на который наносится покрытие, размещен внутри камеры 3, образованной посредством по меньшей мере одного электрода 1 противоположной полярности.

Остальные признаки присущи любому из вариантов выполнения устройства.

Электроды 1, 2 размещены в герметичном корпусе (реакторе) 5, абсолютное давление газа в котором может быть не более 3•10⁷ Па. При превышении абсолютного давления газа значения 3•10⁷ Па предъявляются высокие требования к прочности камеры 5, она должна быть массивная, толстостенная, что нецелесообразно; вакуумные установки имеют высокое энергопотребление, что целесообразно только при необходимости получения особо чистых покрытий. Порошок 4 состоит из частиц с размером от 1 до 500 мкм. Использование частиц порошка 4 с размерами менее 1 мкм нежелательно, т.к. возможен эффект налипания на подложку, а частицы с размерами более 500 мкм имеют достаточно большой вес, и для преодоления их сил тяжести и адгезионного взаимодействия с электродом требуется электрическое поле большой напряженности. Источник постоянного тока создает между электродами 1 и 2 электрическое поле напряженностью 5-500 кВ/см. Минимальное значение напряженности электрического поля между электродами 1 и 2 выбрано с учетом условия, что сила поля, действующая на частицу порошка 4, должна быть больше суммы сил тяжести частицы и ее адгезионного взаимодействия с электродом, на котором она находится. Поле с напряженностью менее 5 кВ/см может быть недостаточным даже для взвешивания частиц. Для создания поля напряженностью более 500 кВ/см требуется неоправданно большое энергопотребление и сложные источники.

Электроды 1, 2 могут быть выполнены с возможностью взаимного перемещения.

Электрод 2, на который наносится покрытие, может быть выполнен из материала любой электропроводности: из проводника, в частности, из металла (алюминий, бериллий, медь, титан, сталь и т.п.), или из полупроводника (кремний, германий и т.п.), или из диэлектрика (бумага, картон, полимерная пленка, кварц, радиокерамика, стекло, ситалл и т.п.). Для повышения качества покрытий, наносимых на электроды-подложки 2, выполненные из полупроводников, необходима тщательная подготовка поверхности: очистка, обезжиривание, химическая обработка щелочью и т.п. При нанесении покрытия на электрод-подложку 2, выполненную из диэлектрика, используют диэлектрики, которым сообщена электропроводность. В частности, сообщение электропроводности бумаге, картону производится путем их увлажнения; полимерной пленке - нагревом до ≈60^oС; кварцу, керамике, стеклу - например, частичной ионизацией поверхности посредством ее обработки лазерным излучением. Для этого устройство может быть дополнительно снабжено или нагревателем, или источником лазерного излучения (на чертеже не показаны).

Для нанесения покрытий могут быть использованы порошки материалов различной электропроводности: проводники (алюминий, бериллий, графит, медь, серебро, титан, вольфрам и т.п.), полупроводники (кремний, германий, дисульфат молибдена, карбид циркония и т.п.), диэлектрики (аморфные магнитные материалы; высокотемпературные сверхпроводящие оксиды, например, Y-Ba-Cu-О и т.п.).

Возможность получения покрытий сложного состава может быть реализована с помощью наполнения камеры 3 газом, активным по отношению к материалу порошка 4 (кислород, водород в смеси с гелием, аргоном или азотом и т.п.), а также его нагревом или обработкой лазерным излучением. В первом случае обеспечивается температурный режим, необходимый для взаимодействия простого вещества порошка 4 с газовой атмосферой камеры 3, при котором образуется сложное вещество покрытия. Во втором случае сложное вещество покрытия образуется, например, за счет создания радикалов реагентов. Порошок может состоять из двух и более компонентов, а также различных комбинаций материалов различной электропроводности, что также позволяет получать покрытия сложного состава.

Камера 3 может быть наполнена газом (гелий, аргон, азот и т.п.), не вступающим в химическое взаимодействие с материалом порошка 4, что позволяет получать чистые покрытия заданного состава. Атмосфера в камере 4 может быть разрежена до состояния вакуума, благодаря чему могут быть получены особо чистые покрытия заданного состава.

Экспериментально установлено, что использование источника постоянного тока с повышенными пульсациями выходного напряжения, создающего переменное электрическое поле между электродами 1 и 2, не ухудшает качество получаемого покрытия. То есть возможно использование вышеуказанных источников тока, что позволяет значительно снизить стоимость источников питания.

В конкретном примере выполнения устройства для нанесения одностороннего покрытия на движущуюся подложку (фиг.1) группа профилированных электродов 1 подключена к положительному полюсу источника постоянного тока (на чертеже не показан), т. е. является анодом и состоит из трех электродов: верхнего, нижнего и бокового. Электрод (подложка) 2, на который наносится покрытие, размещен внутри камеры 3, образованной группой электродов-анодов 1; камера 3 разделена на три части: верхнюю и нижнюю, являющиеся зонами нанесения покрытия, и боковую, предназначенную для предотвращения выброса порошка при перегибе электрода-подложки 2. Электрод-подложка 2 представляет собой плоскую ленту, в частности, шириной 15-30 см и толщиной 0,3-0,5 мм. В устройстве имеется перематывающая система, содержащая две бобины: 6 (на которую намотана лента) и 7 (на которую наматывается лента после нанесения покрытия), расположенные с одной стороны корпуса 5, и бобину 8 (промежуточную) - с другой стороны. Бобина 7 заземлена и снабжена электроприводом (на чертеже не показан). Порошок 4 материала покрытия размещен на нижнем аноде 1 и на электроде-подложке 2.

В конкретном примере выполнения устройство для нанесения одностороннего покрытия на плоскую подложку (фиг.2) содержит два профилированных электрода: анод 1 с конической выемкой на верхнем основании и сборный катод 2, состоящий из двух частей, соединенных посредством резьбового соединения: верхней 10 с цилиндрической выемкой на нижнем основании, в которую вложена подложка 9, и нижней 11, выполненной в виде тонкостенного цилиндра с круглым отверстием в основании, диаметр которого меньше диаметра цилиндрической выемки верхней части 10; основание нижней части 11 катода 2 срезано по конусу к центру, за счет чего осуществлено профилирование катода 2. Профилирование электродов обеспечивает пространственно-временную устойчивость потока частиц в области с однородным полем. Между анодом 1 и катодом 2 образована камера 3, в которой размещен порошок 4. Электроды 1,2 размещены в герметичном корпусе (реакторе) 5, выполненном из органического стекла, состоящем из крышки 12, обечайки 13 и дна 14. Центральный цилиндрический выступ верхней части 10 катода 2 соединен с крышкой 12 корпуса 5 посредством резьбового соединения. Корпус 5 скреплен винтами (на чертеже не показаны); герметичность корпуса 5 обеспечена установленными между обечайкой 13 и крышкой 12, а также между обечайкой 13 и дном 14 резиновыми прокладками 15 и 16 соответственно. Анод 1 подключен к положительному полюсу источника питания (на чертеже не показан) через ввод 17, установленный в обечайке 13 на эпоксидной смоле. Катод 2 подключен к отрицательному полюсу источника питания (на чертеже не показан) посредством штеккера 18, вставленного в крышку 12 корпуса 5. В крышке 12 корпуса 5 выполнены гнезда 19 и 20 для установки в них посредством резьбовых соединений манометра и вентиля соответственно.

В конкретном примере выполнения (фиг. 3) устройство для нанесения двухстороннего покрытия на плоскую подложку содержит три профилированных электрода: два анода 1 - верхний с конической выемкой на нижнем основании и нижний с конической выемкой на верхнем основании; и расположенный между ними кольцеобразный катод 2, боковые стороны которого срезаны по конусу к центру. В кольцеобразном катоде 2 на растяжках 23 подвешена подложка 9. Верхний и нижний аноды 1 являются конструкционными элементами устройства, образуя вместе с обечайкой 13 электрически замкнутый герметизированный корпус (реактор) 5, внутри которого размещены катод 2 с подложкой 9 и камера 3. При этом нижний анод 1, в частности, приварен к обечайке 13, а верхний анод 1 установлен на обечайке 13 и прикреплен к ней винтами (на чертеже не показаны) с использованием резиновой прокладки 15. Аноды 1 подключены к положительному полюсу, а катод 2 - к отрицательному полюсу источника питания (на чертеже не показан). Электрический контакт подложки 9 с катодом 2 осуществлен посредством проводящих растяжек 23. Электроды 1 и 2 отделены друг от друга изоляционными кольцами 21 и 22, внешний диаметр которых равен внутреннему диаметру обечайки 13, а внутренний диаметр меньше внешнего диаметра кольцеобразного катода 2, но больше его внутреннего диаметра. Изоляционное кольцо 21 наложено на нижний анод 1 и имеет в верхнем основании кольцеобразную выемку, в которой размещен катод 2. Изоляционное кольцо 22 расположено между катодом 2 и верхней частью анода 1. Таким образом электрод (катод) 2, электрически соединенный с подложкой 9, а также сама подложка 9, на которую наносится покрытие, размещены внутри герметичной и полностью экранированной камеры 3, образованной электродами-анодами 1. Камера 3 разделена на две части: верхнюю и нижнюю, являющиеся зонами нанесения покрытия; в них размещен порошок 4.

Возможно также устройство нанесения покрытий как на внешние, так и на внутренние цилиндрические поверхности изделий с цилиндрической системой электродов, в которых один из электродов размещен внутри камеры, образованной электродом противоположной полярности. Равномерное покрытие на подложке получается при вращении устройства вокруг его оси.

Устройство работает следующим образом.

Нанесение в электрическом поле на один из электродов покрытий из материалов в виде порошка основано на использовании эффекта переноса масс при электродинамическом псевдоожижении порошков. Этот эффект заключается в том, что при создании между электродами 1 и 2 электрического поля высокой напряженности, при которой сила поля, действующая на частицы порошка, больше суммы сил тяжести и их адгезионного взаимодействия с электродом, частицы, получившие заряд электрода, на котором они находятся, отталкиваются от него и летят к электроду противоположной полярности, достигнув который, в результате электрического контакта получают его заряд и, оттолкнувшись от него, летят к другому электроду и так далее. Таким образом, частицы осциллируют между электродами, и возникает поток частиц, находящихся во взвешенном состоянии, т. е. происходит электродинамическое псевдоожижение порошка. Известно, что скорость движения частиц в электрическом поле имеет величину порядка десятков см/с, а время развития разряда в неоднородных полях - порядка 10^-7 с (см. О.А. Мяздриков. Электрическое псевдоожижение дисперсных систем. - Л.: Химия, 1984). Поэтому механическому контакту частиц порошка с электродами предшествует искровой разряд между ними. Энергия этого разряда определяется выражением:

За счет энергии искрового разряда и происходит испарение некоторой массы с частицы, а испаренные молекулы осаждаются на поверхности электрода-подложки.

Перед нанесением одностороннего покрытия на движущуюся подложку (фиг.1), в частности при осаждении алюминия на бумагу, очищают электроды-аноды 1 и производят подготовку электрода-подложки 2 в зависимости от его материала, в конкретном примере бумажную ленту увлажняют. Путем увлажнения бумажной ленте сообщают электропроводность. Увлажненную ленту (электрод-подложку) 2 наматывают на бобину 6, протягивают через перематывающее устройство вокруг бобины 8 и закрепляют на бобине 7. Затем на нижний анод 1 и верхнюю часть электрода-подложки 2 насыпают порошок 4, состоящий из частиц алюминия размером 10-100 мкм. Собранное устройство размещают в герметичном корпусе (реакторе) 5 и заполняют корпус (реактор) 5 газом - чистым азотом до давления 3-6•10⁵ Па. После этого включают источник питания до 25 кВ, который создает между электродами 1 и 2 электрическое поле напряженностью 20-25 кВ/см, и с помощью электропривода приводят во вращение бобину 7. Нанесение покрытия на электрод-подложку 2 производится с использованием эффекта переноса масс при электродинамическом псевдоожижении порошков, описанного выше. Осаждение частиц порошка 4 на движущуюся бумажную ленту (электрод-подложку) 2 в данном случае происходит постепенно в двух частях камеры 3: верхней и нижней; электрическое поле между боковым анодом 1 и электродом-подложкой 2, т.е. в боковой части камеры 3, позволяет исключить потери порошка 4 из-за возможного их захвата движущейся подложкой 2. Осаждение порошка 4 на бумажный электрод-подложку 2 производят 10-15 мин. Когда вся бумажная электрод-подложка 2 смотана с бобины 6, электропривод, приводящий во вращение бобину 7, отключают, выключают источник питания, вынимают устройство из корпуса 5 и извлекают из него бумажную подложку 2, на которую нанесено покрытие из алюминия. Устройство готово к нанесению покрытия на следующую подложку. Исследование покрытия показало, что получено однородное прочное покрытие; микроскопический анализ установил полную проработку структуры бумаги (сплошное покрытие всех ее волокон); покрытие не снималось спиртом; рентгеновский фазовый анализ установил однородность состава и отсутствие дополнительных фаз в покрытии; адгезия покрытия к подложке хорошая. Аналогично реализуют процесс нанесения различных покрытий и на металлические ленты.

При нанесении одностороннего покрытия на плоскую подложку (фиг.2), в частности, при осаждении серебра на стекло, кварц или ситалл, также предварительно очищают электроды 1, 2 и производят тщательную подготовку стеклянной подложки 9 (очищают, обезжиривают). В конкретном примере нанесение покрытия производят с использованием источника лазерного излучения (на чертеже не показан). Подготовленную стеклянную подложку 9 укрепляют в сборном катоде 2, вкладывая ее в цилиндрическую выемку на нижнем основании верхней части 10 и фиксируя ее там нижней кольцеобразной частью 11 посредством резьбового соединения. Далее производят сборку устройства в следующей последовательности: дно 14 корпуса 5 соединяют посредством винтов (на чертеже не показаны) с обечайкой 13, в которой установлен анод 1, на анод 1 насыпают порошок 4, состоящий из частиц серебра размерами 10-30 мкм, и сверху винтами прикрепляют к обечайке 13 крышку 12 с предварительно установленным в ней катодом 2. Герметичный корпус (реактор) 5 наполняют газом, в конкретном случае - чистым азотом, при давлении (3-5)• 10⁵ Па. После этого включают источник питания, подключая к электродам 1 и 2 напряжение до 30 кВ, создающее между ними электрическое поле напряженностью 30-40 кВ/см. Процесс нанесения покрытия ведут при включенном источнике лазерного излучения, сообщая таким образом электропроводность стеклянной подложке 9. Электродинамическое псевдоожижение порошка 4 в данном случае происходит в камере 3, фокусирование электрического поля между подложкой 9 и анодом 1 для предотвращения выброса порошка 4 осуществляется за счет выполнения обращенных друг к другу поверхностей анода 1 и катода 2 профилированными (срезанными по конусу к центру). Процесс осаждения серебра на стеклянную подложку 9 проводят 30-60 мин. После нанесения покрытия выключают источник лазерного излучения и источник питания, отвинчивают крышку 12 корпуса 5 и извлекают из катода 2 стеклянную подложку 9 с нанесенным на нее покрытием. Устройство готово к нанесению покрытия на следующую подложку. Исследование покрытия показало, что получено однородное прочное покрытие с зеркальной поверхностью, с хорошей адгезией к подложке, не стирающееся спиртом.

При нанесении двухстороннего покрытия на плоскую подложку (фиг.3), в частности при осаждении тугоплавких материалов - вольфрама, тантала, ниобия или карбида циркония на медь, как и в предыдущих примерах, предварительно очищают верхний и нижний аноды 1 и кольцеобразный катод 2 и производят подготовку медной подложки 9 (очищают, обезжиривают). Подготовленную подложку 9 подвешивают в кольцеобразном катоде 2 на растяжках 23, посредством которых осуществляется также электрический контакт подложки 9 с катодом 2. Далее производят сборку устройства: изоляционное кольцо 21 накладывают на нижний анод 1; на нижний анод 1 насыпают порошок 4 вольфрама, тантала, ниобия или карбида циркония с размерами частиц от 10 до 63 мкм; катод 2 с подвешенной в нем подложкой 9 размещают в кольцеобразной выемке в изоляционном кольце 21; на подложку 9 насыпают порошок 4; сверху на изоляционное кольцо 21 накладывают кольцо 22, а на него - верхний анод 1; все скрепляют винтами (на чертеже не показаны). Камеру 3 через вентиль (на чертеже не показан) в верхнем аноде 1 наполняют газом, например чистым гелием, при давлении (15-25)•10⁵ Па. После этого включают источник питания, подавая на электроды 1 и 2 напряжение, создающее между ними электрическое поле напряженностью 25-40 кВ/см, частицы порошка взвешиваются и осциллируют в верхней и нижней частях камеры 3, причем в описываемом устройстве происходит обмен частицами между частями камеры 3, что позволяет экономично использовать порошок. Покрытие наносится на подложку 9 с обеих сторон. Процесс проводят 45-90 мин. Затем выключают источник питания и вынимают из устройства подложку 9. В результате получены равномерные по всей площади напыления покрытия с обеих сторон подложки толщиной 0,3-3 мкм с однородной мелкозернистой структурой 0,1-0,3 мкм, с хорошей адгезией к подложке (50 кг/мм²); рентгеновский фазовый анализ установил однородность состава и отсутствие дополнительных фаз.

Далее кратко приводятся результаты процессов осаждения следующих покрытий:
- осаждение чистого кремния с размерами частиц 20-30 мкм на подложки из алюминия и меди производилось в атмосфере чистого азота при давлении 3-6•10⁵ Па, напряженности электрического поля 25-30 кВ/см, в течение 60 мин; получено однородное сплошное покрытие толщиной порядка 0,3 мкм с хорошей адгезией к подложке, не снимающееся спиртом;
- осаждение порошка серебра или серебра с подслоем алюминия, на подложку из кремния высокой чистоты осуществлялось в корпусе (реакторе) из нержавеющей стали после тщательной подготовки подложки (очистка, обезжиривание, химическая обработка щелочью, промывка) в смеси газов: 10 частей гелия и одна часть водорода при давлении 14-16•10⁵ Па при напряженностях поля от 30 до 35 кВ/см в течение 30-40 мин; получены однородные плотные покрытия с хорошей адгезией к подложке, не снимающиеся спиртом; покрытия из серебра электропроводны, при двухстороннем нанесении серебра на подложку из кремния установлен полупроводниковый эффект;
- осаждение высокотемпературного сверхпроводящего материала, в частности, оксида YВа₂Сu₃O_7-х, с размерами частиц 20-50 мкм на подложки из алюминия и меди производилось после "промывки" корпуса кислородом в атмосфере чистого азота при давлении (8,2-8,8)•10⁵ Па, напряженности электрического поля 25-30 кВ/см, в течение 60 мин; получено плотное однородное черное покрытие толщиной порядка 5 мкм с хорошей адгезией к подложке, не снимающееся спиртом. Проверка охлажденной до температуры жидкого азота подложки с нанесенным покрытием с помощью магнита показала ее взаимодействие с магнитным полем, что указывает на наличие сверхпроводимости покрытия, то есть при осаждении покрытия не произошло разложение наносимого материала сложного состава; нанесение на полученное покрытие защитного слоя серебра не изменило сверхпроводящих свойств образца;
- осаждение ниобия с размерами частиц 30-63 мкм на подложку из меди производилось в вакууме, при напряженности электрического поля 25-30 кВ/см, в течение 60 мин; получено чистое однородное сплошное покрытие толщиной порядка 0,5 мкм с хорошей адгезией к подложке, не снимающееся спиртом;
- осаждение никеля с размерами частиц 20-60 мкм на подложку из полиэтиленовой пленки толщиной 0,5 мм производилось при нагреве до температуры 50-60^oС в атмосфере азота при давлении 3-6• 10⁵ Па, напряженности электрического поля 25-30 кВ/см, в течение 60 мин; получено однородное сплошное покрытие с хорошей адгезией к подложке, не снимающееся спиртом, обладающее магнитными свойствами.

Проведенные опыты подтвердили возможность нанесения покрытий, в том числе сложного состава, из материалов различной электропроводности на подложки, в том числе движущиеся, из материала различной электропроводности. При этом заявленное устройство обладает невысоким энергопотреблением, порядка 70-100 Вт при напылении покрытия на поверхность площадью 100 см²; экономично с точки зрения материалопотребления; позволяет получать высококачественные покрытия при хорошей адгезии к подложке; позволяет также наносить покрытия на подложки разной геометрии; конструктивно просто; имеет невысокую стоимость.

Предложенное устройство может быть изготовлено промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и комплектующих, что обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию "промышленная применимость".

Реферат

Изобретение относится к оборудованию для нанесения в электрическом поле покрытий. Изобретение направлено на создание устройства для нанесения в электрическом поле покрытий, в том числе сложного состава, из материалов различной электропроводности на подложки, в том числе движущиеся, из материалов различной электропроводности, которое позволяло бы наносить также двухсторонние покрытия. Устройство включает электроды и образованную ими камеру, в которой размещен порошок, при этом электроды выполнены с возможностью взаимного перемещения; порошок состоит из частиц размером от 1 до 500 мкм, причем поле между электродами имеет напряженность 5-500 кВ/см, а газовая атмосфера в камере имеет абсолютное давление газа не более 3 • 10⁷ Па; к электродам может быть подведено напряжение, создающее между ними электрическое поле переменной напряженности; электрод, на который наносится покрытие, может быть размещен внутри камеры, образованной посредством по меньшей мере одного электрода противоположной полярности; электрод, на который наносится покрытие, может быть выполнен или из металла, или из полупроводника, или из диэлектрика, которому сообщена электропроводность; порошок может состоять из частиц материалов различной электропроводности: или проводников, или полупроводников, или диэлектриков, или различной их комбинации; порошок может состоять из двух или более компонентов; устройство может быть снабжено или нагревателем, или источником лазерного излучения; атмосфера в камере между электродами может быть разрежена до состояния вакуума. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула