Розробка комплексної технології з’єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів
Однією з причин, які гальмують застосування лейкосапфіру, є відсутність комплексних технологічних рішень з'єднання деталей, що забезпечують надійність прецизійних вузлів приладів. Комплексними дослідженнями методів з'єднання доведено, що попереднє нанесення вакуумного покриття поліпшує ад...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Національна Академія наук України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/610 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Розробка комплексної технології з'єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів / Є.Ф. Венгер, М.М. Локшин, В.П. Маслов, Ю.М. Родічев, Д.І. Блецкан, Я.М. Пекар // Наука та інновації. — 2007. — Т. 3, № 6. — С. 77-86. — Бібліогр.: 19 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859622366320001024 |
|---|---|
| author | Венгер, Є.Ф. Пекар, Я.М. Локшин, М.М. Маслов, В.П. Родічев, Ю.М. Блецкан, Д.І. |
| author_facet | Венгер, Є.Ф. Пекар, Я.М. Локшин, М.М. Маслов, В.П. Родічев, Ю.М. Блецкан, Д.І. |
| citation_txt | Розробка комплексної технології з'єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів / Є.Ф. Венгер, М.М. Локшин, В.П. Маслов, Ю.М. Родічев, Д.І. Блецкан, Я.М. Пекар // Наука та інновації. — 2007. — Т. 3, № 6. — С. 77-86. — Бібліогр.: 19 назв. — укp. |
| collection | DSpace DC |
| description | Однією з причин, які гальмують застосування лейкосапфіру, є відсутність комплексних
технологічних рішень з'єднання деталей, що забезпечують надійність прецизійних вузлів приладів. Комплексними дослідженнями методів з'єднання доведено, що попереднє нанесення вакуумного покриття поліпшує адгезію клеїв. Запропоновано клейові та безклейові методи з'єднання прецизійних вузлів, які працюють у широкому діапазоні температур. Вперше запропоновано композитні
структури типу ілюмінатора "скло–сапфір". Показано ефективність їх застосування для підвищення стійкості ілюмінаторів до впливу пилу і збільшення твердості та міцності всієї конструкції. Результати даних досліджень можуть бути поширені на прецизійні вузли оптико$електронних приладів з інших матеріалів, які працюють в екстремальних умовах.
Одной из причин, которые тормозят применение лейкосапфира, является отсутствие
комплексных технологических решений по соединению деталей, обеспечивающих надежность прецизионных узлов приборов. Комплексными исследованиями методов соединения доведено, что предварительное нанесение вакуумного покрытия улучшает адгезию клеев. Предложены клеевые и бесклеевые методы соединения прецизионных узлов, которые работают в широком диапазоне температур.
Впервые предложены композитные структуры типа иллюминатора "стекло–сапфир". Показана эффективность их применения для повышения стойкости иллюминаторов к влиянию пыли и увеличение твердости и прочности. Результаты данных исследований могут быть распространены на прецизионные узлы оптикоэлектронных приборов из других материалов, которые работают в экстремальных условиях.
Lack of all-inclusive technological decisions of joining of details, which provide reliability of devices' precision-built units, is one of the problems which put a brake on sapphire application. It is proved by comprehensive researches of the methods of joining that a preliminary vacuum coating improves an adhesion of glues. We offer methods with using of glues and without it for joining of precision devices' components, which work in a wide range of temperatures. For the first time we offer composite structures like illuminator "glass-sapphire" type. The efficiency of their using for the increasing of illuminators' resistance to dust influence and for the increasing of their hardness and durability is shown. Results of given researches can be propagated on the joining of precision units in the optoelectronic devices from other materials, which work in extreme conditions.
|
| first_indexed | 2025-11-29T06:27:09Z |
| format | Article |
| fulltext |
77
Світ інновацій
© Є. Ф. Венгер, М. М. Локшин, В. П. Маслов,
Ю. М. Родічев, Д. І. Блецкан, Я. М. Пекар, 2007
1. ВСТУП
Кристали лейкосапфіру (α$Al2O3) характе$
ризуються унікальними механічними і фізи$
ко$хімічними властивостями. Це:
— висока хімічна чистота (99,995 %);
— висока температура плавлення (Тпл =
= 2323 К);
— висока твердість (9 за шкалою Мооса);
— висока теплопровідність (~ 30 Вт/м·К);
— високий питомий опір (> 1016 Ом·см);
— висока радіаційна стійкість;
— хімічна стійкість до різних агресивних
середовищ (лугів, кислот тощо);
— висока оптична якість та прозорість у
широкому спектральному діапазоні (λ =
= 0,17—5,5 нм);
— біосумісність з людським організмом.
Завдяки таким характеристикам лейко$
сапфір широко використовується в мікро$ та
оптоелектроніці, оптичному приладобуду$
ванні, лазерній техніці, прецизійних механіз$
мах, тонкій хімічній технології, медицині
(кісткова ортопедія [1], стоматологічні імп$
лантати [2] і пломби [3, 4]), годинниковій та
ювелірній промисловостях в якості складо$
вих частин детекторів для реєстрації гамма$
та рентгенівського випромінювання.
Низькі значення діелектричної проник$
ності (ε = 9,5) та діелектричних втрат (tg δ <
< 10$5) роблять перспективним використан$
ня лейкосапфіру як підкладок при нанесенні
тонких плівок високотемпературних надп$
ровідників для застосування останніх в еле$
ментах СВЧ$техніки (фільтри, резонатори
тощо).
Наука та інновації.2007.Т 3.№ 6.С. 77–86.
Є. Ф. Венгер1, М. М. Локшин1, В. П. Маслов1, Ю. М. Родічев2,
Д. І. Блецкан3, Я. М. Пекар3
1Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАНУ, Київ
2Інститут проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАНУ, Київ
3ЗАТ "Технокристал", Ужгород
РОЗРОБКА КОМПЛЕКСНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
З'ЄДНАННЯ ПРЕЦИЗІЙНИХ ДЕТАЛЕЙ
З ЛЕЙКОСАПФІРУ У КОНСТРУКЦІЙНІ ВУЗЛИ
ОПТИКО;ЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ
Анотація: Однією з причин, які гальмують застосування лейкосапфіру, є відсутність комплексних
технологічних рішень з'єднання деталей, що забезпечують надійність прецизійних вузлів приладів.
Комплексними дослідженнями методів з'єднання доведено, що попереднє нанесення вакуумного
покриття поліпшує адгезію клеїв. Запропоновано клейові та безклейові методи з'єднання пре$
цизійних вузлів, які працюють у широкому діапазоні температур. Вперше запропоновано композитні
структури типу ілюмінатора "скло–сапфір". Показано ефективність їх застосування для підвищення
стійкості ілюмінаторів до впливу пилу і збільшення твердості та міцності всієї конструкції. Результа$
ти даних досліджень можуть бути поширені на прецизійні вузли оптико$електронних приладів з
інших матеріалів, які працюють в екстремальних умовах.
Ключові слова: лейкосапфір, нанотехнології, методи з'єднання, клейові композиції, ілюмінатор.
78
Світ інновацій
НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 6, 2007
В Україні у промислових масштабах
кристали лейкосапфіру вирощують методом
горизонтальної напрямленої кристалізації в
НТК "Інститут монокристалів" НАН Украї$
ни (м. Харків) та видозміненим методом Кі$
ропулоса [5] на підприємстві ЗАТ "Технок$
ристал" (м. Ужгород).
Одним з факторів, що стримує більш ши$
роке використання кристалів лейкосапфіру в
приладобудуванні є недостатність комплекс$
них технологічних рішень щодо проблем
з'єднання деталей з лейкосапфіру, які б за$
безпечували надійність прецизійних деталей
і вузлів приладів. Дійсно, досить часто вини$
кає потреба у створенні нероз'ємних з'єднань
між деталями з лейкосапфіру та деталями, ви$
готовленими з металу чи кераміки. При цьо$
му нероз'ємні з'єднання повинні задовольня$
ти певні технічні вимоги, такі, як забезпечен$
ня високого вакууму, висока електрична і
механічна міцність. Усі відомі способи не$
роз'ємних з'єднань деталей, виготовлених із
кристалів лейкосапфіру, можна поділити на
три групи: з'єднання за допомогою клеїв, па$
яння і зварювання. Зупинимось коротко на
характеристиках цих груп.
Перша. У технології виробництва опти$
ко$електронних приладів широко використо$
вуються різноманітні клеї. Існує велика кіль$
кість марок клеїв, користування якими не
потребує високої кваліфікації персоналу та
спеціального обладнання, а процес з'єднання
відбувається зазвичай при кімнатній темпе$
ратурі. Це дає можливість здійснювати точне
позиціонування та юстирування деталей. Але
висока хімічна інертність лейкосапфіру пере$
шкоджає надійному клейовому з'єднанню де$
талей із нього. Тому, наприклад, ультрафіоле$
тові (УФ) клеї не забезпечують високу міц$
ність і надійність з'єднання в екстремальних
умовах експлуатації.
До другої групи відносяться різноманітні
способи паяння деталей з лейкосапфіру з ви$
користанням як попередньо металізованих
поверхонь, так і активних припоїв. Способи
паяння є простими у реалізації і зазвичай не
змінюють структурної досконалості з'єдну$
ваних деталей. Проте паяні шви характеризу$
ються низькою механічною і електричною
міцністю, високою хімічною активністю. Ди$
фузія компонентів припою в монокристаліч$
ну матрицю, особливо при термоциклюванні
виробів, знижує механічні та експлуатаційні
характеристики таких вузлів. Значного прог$
ресу в удосконаленні технології з'єднання де$
талей з лейкосапфіру з використанням мето$
ду паяння було досягнуто під керівництвом
академіка Ю. В. Найдича в Інституті проблем
матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН
України [6, 7], де протягом тривалого часу
досліджувалися та розроблялися технологія
вакуумного паяння та спеціальні припої. Ця
технологія забезпечує високу міцність та на$
дійність з'єднання, але потребує використан$
ня спеціального вакуумного високотемпера$
турного обладнання, що ускладнює юстиру$
вання прецизійних деталей у виробничих
умовах.
До третьої групи відносяться способи
зварювання з розплавленням контактної зо$
ни та дифузійного (термокомпресійного)
зварювання. Ці технології успішно розвива$
ються в НТК "Інститут монокристалів" НАН
України (м. Харків) [8]. Способи зварювання
з розплавленням контактної зони досить
складні з технічної точки зору. Як показала
практика, вони придатні тільки для одержан$
ня з'єднань з малою протяжністю шва,
оскільки в області контакту при розплав$
ленні локальної зони досить часто виника$
ють значні напруження, що призводять до
руйнування окремих елементів конструкції.
З огляду на це більш перспективним є ди$
фузійне зварювання деталей з лейкосапфіру
у твердому стані, яке полягає в утворенні мо$
нолітного з'єднання на атомарному рівні як
результат механічного наближення контак$
туючих поверхонь шляхом локальної плас$
79НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 6, 2007
Світ інновацій
тичної деформації при підвищеній темпера$
турі. При цьому має місце взаємна дифузія в
поверхневих шарах з'єднуваних матеріалів.
Для здійснення дифузійного зварювання де$
талі після попередньої підготовки (шліфу$
вання, полірування тощо) поміщають у на$
грівник зварювальної камери, яку вакууму$
ють. Деталі нагрівають до температури 0,5÷
0,9 Тпл, притискують з певним зусиллям одну
до одної, потім після ізотермічної витримки
знімають механічне навантаження стиснення
і повільно охолоджують.
В Інституті фізики напівпровідників
ім. В. Є. Лашкарьова НАН України розвива$
ється напрямок нанотехнологій прецизійних
конструкційних з'єднань з використанням
попередньо нанесеного на деталі вакуумного
покриття [9] та нанорозмірних порошків$на$
повнювачів до клейових композицій [10].
В даній роботі описана розробка компле$
ксної технології з'єднань деталей з лейкосап$
фіру для експлуатації в широкому діапазоні
температур — 77÷1 300 К. Ця задача вирішу$
валася шляхом удосконалення безклейових
методів та розробки нових клейових компо$
зицій для з'єднань.
2. БЕЗКЛЕЙОВЕ З'ЄДНАННЯ
МЕТОДОМ ПАЯНЯ
Враховуючи високу хімічну інертність лей$
косапфіру до розплавів багатьох металів, що
використовуються для паяння, нами вико$
ристано таку технологічну схему:
— спочатку на з'єднувальну поверхню де$
талі методом термічного випаровування
у вакуумі наноситься шар адгезійно ак$
тивного металу, зокрема титану, товщи$
ною ~ 50 нм або нікелю ~ 100 нм для за$
безпечення адгезії до припою;
— після цього деталі з'єднуються шляхом
пайки з використанням стандартних про$
мислових припоїв, паяльних паст для по$
верхневого монтажу друкованих плат та
високочистого індію.
Експериментальне дослідження безклейо$
вого з'єднання сталевої труби до пластини
лейкосапфіру товщиною 0,35 мм показало, що
склад припою не впливає на цілісність з'єд$
нання пластини зі сталевою трубкою за умо$
ви, якщо діаметр трубки не перевищує 20 мм.
При збільшенні діаметра трубки у 2 рази
тільки індій забезпечував працездатність та
цілісність з'єднання. У даному випадку зав$
дяки пластичності індію відбувається релак$
сація термічних напружень в контакті лейко$
сапфіру зі сталлю. На жаль, для індію харак$
терна низька міцність (приблизно 2 МПа).
Проте пластичність індію зберігається до
кріогенних температур (77 К) і тому цей тип
з'єднання можна рекомендувати для вико$
ристання у вузлах кріостатів та приладах ІЧ$
техніки з сенсорами, які охолоджуються.
Таким чином, методом паяння поперед$
нього металізованих деталей із кристалів лей$
косапфіру з конструкційними деталями із
сталі можна виготовляти різні за складністю
металокерамічні вузли. Конструктивно спай
виконується у вигляді торцевого, конусного,
охоплюючого, компенсаційного з'єднання
лейкосапфіру з конструкційними металами.
3. КЛЕЙОВІ КОМПОЗИЦІЇ,
ЩО ПРАЦЮЮТЬ У ШИРОКОМУ
ТЕМПЕРАТУРНОМУ ІНТЕРВАЛІ
3.1. Неорганічні клеї для підвищених
та високих температур
Такі клеї виготовлені за золь–гель$техноло$
гією на основі рідкого натрієвого скла, до
якого для зменшення пористості і підвищен$
ня стійкості до вологи додавали як наповню$
вачі алюмінієву пудру, кремній та окис хро$
му. Найкращих результатів було досягнуто у
випадку використання всіх трьох компонен$
тів у рівних вагових співвідношеннях (1:1:1).
Виготовлену пастоподібну суміш рідкого
скла з наповнювачами тонким шаром нано$
сили на деталі з лейкосапфіру, після чого ці
80
Світ інновацій
НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 6, 2007
деталі притискали одну до одної, висушува$
ли та відпалювали у муфельній печі на по$
вітрі при температурі 673 К. З'ясувалося, що
залишки пастоподібної суміші навіть при
кімнатній температурі починали взаємодіяти
з рідким склом через кілька годин після виго$
товлення. Алюміній та кремній взаємодіяли з
розчином силікату натрію та утворювали
комплексні силікати. Ці процеси прискорю$
валися з підвищенням температури до 673 К.
Дослідження міцності показали, що з'єд$
нання деталей з лейкосапфіру, зроблені за
золь–гель$технологією, мають більш високі
значення міцності (8—10 МПа), ніж з'єднан$
ня таких самих деталей з використанням па$
яння.
З урахуванням, що комплексні силікати
є стійкими аж до температури плавлення
(1 873 К) [11, 12], запропонована технологія
може бути використана для з'єднань, які пра$
цюють при температурах до 1 273 К і вище.
3.2. Органічні клейові композиції
3.2.1. Клеї, полімеризація яких відбувається
під дією ультрафіолетового випромінювання.
З огляду на те, що оптичні клеї полімеризу$
ються протягом 48 год, виникає необхідність
здійснення постійного довготривалого конт$
ролю і юстирування оптичного вузла. Тому
для серійного виробництва необхідно резер$
вувати великі виробничі площі та збільшува$
ти кількість устаткування для забезпечення
необхідної пропускної здатності цієї техно$
логічної операції. Клеї, полімеризація яких
відбувається під дією ультрафіолетового
випромінювання, заслуговують на особливу
увагу в зв'язку з їх високою прозорістю й тех$
нологічністю: полімеризація відбувається
протягом кількох хвилин. Оскільки криста$
ли лейкосапфіру є прозорими в УФ$області
спектра, то застосування ультрафіолетових
клеїв дає можливість істотно спростити й
прискорити операцію склеювання деталей з
лейкосапфіру.
Нами використовувалися фотополімерні
клеї типу КС, що полімеризуються під дією
ультрафіолетового світла [13], розроблені в
Інституті хімії високомолекулярних сполук
НАН України В. Ф. Матюшовим. Як показа$
ли наші дослідження, для успішного вико$
ристання клеїв типу КС спочатку на чисті
поверхні деталей із лейкосапфіру, які підля$
гають склеюванню, необхідно нанести тон$
кий шар покриття із двоокису кремнію (або
двоокису індію) методом термічного напи$
лення у вакуумі. Завдяки цьому покращуєть$
ся адгезія і, як наслідок, міцність з'єднання
збільшується більше, ніж у два рази.
Встановлено, що при склеюванні лейко$
сапфіру з оптичним склом у процесі УФ$по$
лімеризації клею виникають напруги, які зо$
середжуються у скляній деталі. Визначення
напружень здійснювали через величину по$
двійного променезаломлювання [14], оскіль$
ки модуль пружності оптичних стекол у кіль$
ка разів менший, ніж модуль пружності лей$
косапфіру.
Отримані позитивні результати склею$
вання були використані при створенні нового
технічного рішення — ілюмінатора "Сапфір"
[15]. Для підвищення стійкості ілюмінатора
до абразивного впливу зовнішнього середови$
ща на зовнішню поверхню оптичного скла за
допомогою розробленої технології наклеюєть$
ся тонка сапфірова полірована пластинка.
3.2.2. Модифіковані кремнійорганічні епоксид&
ні композиції. Більшість епоксидних клеїв
здатні працювати при температурах, що не
перевищують 423 К. Термостійкі (до 573 К і
вище) епоксидні клеї одержують, використо$
вуючи нові термостійкі смоли та отверджу$
вачі. Модифікаторами епоксидних смол є
кремнійорганічні смоли. Кремнійорганічні
клеї мають такі переваги:
— висока стійкість до дії сонячного випро$
мінювання та до старіння в атмосферних
умовах, в озоні, в електричному коронно$
му розряді;
81НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 6, 2007
Світ інновацій
— стійкість до дії води й вологості;
— стійкість до радіації й одночасного впли$
ву температури й радіації;
— високі діелектричні властивості.
Істотно покращують властивості крем$
нійорганічних клеїв порошкові наповнювачі.
Найбільш відомі термостійкі кремнійорга$
нічні клеї К$300 (короткочасно можуть пра$
цювати при 573 К) і К$400 (короткочасно мо$
жуть працювати при 673 К), які містять на$
повнювач у вигляді мікропорошків окису
титану та нітриду бору [16].
Як додатковий наповнювач ми викорис$
товували нанорозмірні порошки окису цир$
конію. При цьому робочою гіпотезою для об$
ґрунтування пошуку оптимальних компози$
цій правила модель щільного пакування
кульок, де кульки — частинки мікропорошку,
а порожнини між ними заповнені наночаст$
ками. За умови, якщо клейовий прошарок
між частинками наповнювача нанорозмір$
ний, в ньому створюються додаткові міжа$
томні зв'язки [17], які і забезпечують ме$
ханічну та термічну стійкість з'єднання.
Нанопорошки окису цирконію з розміром
часток 10÷15 нм зменшують величину усадки
при полімеризації й додатково підвищують
міцність. Оптимальні склади розроблених
композицій забезпечили працездатність вуз$
лів лейкосапфір—мідь при температурі рідко$
го азоту (73 К), а з'єднань лейкосапфір—лей&
косапфір — при температурах до 673 К (ко$
роткочасно). Після тривалого прогрівання до
температури 523 К міцність з'єднання скла$
дала ~ 35 МПа. Розроблені клейові компо$
зиції придатні для використання у вузлах
кріогенних приладів та приладів для реєстра$
ції інфрачервоного світла з охолоджуваними
фотоприймачами, у лазерній техніці тощо.
4. ДВОШАРОВИЙ ІЛЮМІНАТОР
НА ОСНОВІ ОПТИЧНОГО СКЛА
І ЛЕЙКОСАПФІРУ
Двошаровий ілюмінатор — це композитна
шарувата структура з неметалічних матеріа$
лів. Деякі механічні властивості неметаліч$
них матеріалів, які використовуються у при$
ладобудуванні, наведені у таблиці. Скло і
склокераміка — лінійно$пружні матеріали;
алюмокераміці властиве в'язке деформуван$
ня у мікрооб'ємах, але всі вони є крихкими.
Монокристали лейкосапфіру принципово
відрізняються від цих крихких матеріалів яв$
но вираженою анізотропією твердості, пруж$
ними характеристиками і показниками міц$
ності. Необхідно відзначити, що конструк$
ційні властивості лейкосапфіру вивчені ще
недостатньо, рекомендацій щодо гранично
допустимих напружень немає. Відомі лише
Матеріал
Модуль Е х 105, МПа
(Gх105, МПа)
Межа міцності
на вигин σв, МПа
Коефіцієнт
Пуассона
Характер деформування
і руйнування
Скло 0,6…0,8
(0,26…0,32)
40…250
[5...35…35]*
0,2…0,25 лінійно$пружне,
крихке
Склокераміка 0,65…1,4 60…250
[5… 40]*
0,2…0,25 лінійно$пружне,
крихке
Алюмокераміка 2,5…3 250…400
[30…100]*
0,19…0,22 нелінійно$пружне, крихке
Лейкосапфір 3…3,8 230…3500 — характер деформування
не вивчений, квазікрихке
Таблиця. Механічні властивості деяких неорганічних матеріалів для композитних структур
*Примітка. У квадратних дужках наведені дані про орієнтовні напруження, що допускаються для розрахунку
конструкцій.
82
Світ інновацій
НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 6, 2007
дані про міцність тонких пластин лейко$
сапфіру на симетричний вигин у діапазоні
200÷3 200 МПа [18].
У зв'язку з цим були виконані експери$
ментальні дослідження міцності на вигин мо$
нокристалічних призматичних зразків лей$
косапфіру високої чистоти (99,996 ваг. %) з
розмірами 9×12×50 мм виробництва ЗАТ
"Технокристал", вирізаних за технологією,
описаною в [19]. Для оцінки ступеня анізот$
ропії показників міцності і виявлення пов'я$
заних з цим закономірних особливостей руй$
нування матеріалу призматичні зразки вирі$
зали з об'ємних кристалів лейкосапфіру
1 010
2 110 1 1 20
0 1 10 1 100
1 2 1 0 1 2 10
1 1 00
m
01 1 0
11 2 0 2 1 1 0
10 1 00
0 1 11
a
1 1 20
n
1 012
r
2 113
n 1 101
s 1 104
d
0 1 14
d 1 2 13
n
0001
c
1 1 02
r
2 1 1 3
n
10 1 4
d
1 2 1 3
n
01 1 2
r
1 1 23
n
10 1 1
s
(à)
(m)
(m) 30o
30o
n n
n n ñ
n n
r r
r
n n
n r
r
a a a
n
n n
r
c (n)
(c)
(r)
(m)
60o
57,6o
32,4o
Рис. 1. Кристалографія лейкосапфіру
різної орієнтації щодо кристалографічних
площин a, m і c (кристалографію лейкосап$
фіру показано на рис. 1).
Мінімальне значення межі міцності на ви$
гин складало 230 МПа, максимальне — 607 МПа.
Такий розкид значень меж міцності на вигин
вказує на істотний вплив технології вирощу$
вання кристалів і масштабного фактора.
Максимально високі результати були от$
римані на зразках, орієнтованих уздовж осі
(0001), а також при орієнтації с. Граничні на$
пруги приблизно однакові для шліфованих
(336÷420 МПа) і полірованих (352÷420 МПа)
зразків. Міцність окремих шліфованих зраз$
ків досягала 517÷552 МПа. Таку саму величи$
ну міцності (495÷543 МПа) отримано на зраз$
ках з орієнтацією уздовж осі с незалежно від
того, яка площина (m чи а) знаходилася в
області розтягуючих напружень. Найнеспри$
ятливішою виявилася орієнтація осі зразків
уздовж напрямку m. Рівень граничних напру$
жень у них був мінімальним і складав 231÷
268 МПа. Центр початку руйнування завжди
знаходився на площині спайності в області
максимальних напружень.
Êóòè ì³æ ïëîùèí àìè
(0001)∧ (1 1 02) 57o35/
(0001)∧ (11 2 3) 61o11/
(0001)∧ (10 1 1) 72o23/
(0001)∧ (11 2 1) 79o37/
(0001)∧ (11 2 0) 90o00/
(0001)∧ (10 1 0) 90o00/
(11 2 0)∧ (10 1 0) 30o00/
Кути між площинами
83НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 6, 2007
Світ інновацій
Результати вивчення міцності на вигин
використані нами при створенні нових шару$
ватих композитних структур скло–лейкосап&
фір, призначених для оглядових вікон та ілю$
мінаторів, що працюють при бічному тиску в
умовах інтенсивного абразивного впливу.
Запропоновані структури — це двоша$
рові пакети, зібрані з листового скла і тонкої
пластини лейкосапфіру, з'єднані між собою
клеєм. Композит має несиметричну структу$
ру. Основний силовий шар виконаний зі скла
товщиною 4 мм, а міцний зносостійкий шар
товщиною 350÷450 мкм — із лейкосапфіру.
Пластини лейкосапфіру вирізали по нормалі
до осі с з об'ємного монокристала. Відхилен$
ня товщини в межах пластини не перевищу$
вали ± 5%. Стан поверхні пластин визначався
послідовно виконаними операціями різання
заготовки алмазним інструментом, поперед$
нього точного шліфування, чистового шлі$
фування і полірування [19]. Якість поверхні
контролювали за допомогою оптичного мік$
роскопа ZEISS Axiovert 200 MAT.
Конструкція композитних ілюмінаторів
скло–лейкосапфір [15] вибиралася на основі
таких міркувань:
— для підвищення конструкційної міцності
елемента в порівнянні зі звичайними
ламінованими склополімерними струк$
турами типу триплекса і багатошарови$
ми композитами шар лейкосапфіру варто
розташувати в зоні розтягування компо$
зитної деталі при вигині, оскільки це по$
винно бути і при експлуатації (наприк$
лад, у конструкції ілюмінатора вакуумної
камери);
— економічна доцільність вимагає застосу$
вання якнайтоншого конструкційного
шару лейкосапфіру.
Композитні ілюмінатори мали зовнішній
діаметр 70 мм. Їх випробування здійснювали
за схемою симетричного вигину. Діаметр пу$
ансона, що навантажує, був 13,7 мм, нижньої
кільцевої опори — 35 мм. При розрахунку на$
пружень враховували твердість на вигин кож$
ного із шарів. Модуль пружності лейкосапфі$
ру був прийнятий рівним 300 ГПа, листового
скла — 80 ГПа [18]. Завдяки використанню
твердого клею і малої товщини клейового
шва (не більш 100÷150 мкм), обидві пласти$
ни під час навантаження працюють спільно
як монолітна структура.
Для оцінки ролі лейкосапфіру при на$
вантаженні композиту спочатку проводилося
випробування пластини листового скла тов$
щиною 4 мм. Руйнування окремих пластин
скла відбувалося при навантаженні Р = 275—
338 кг, що відповідає рівню напружень 91÷
113 МПа. Цей рівень міцності характерний
для даного типу скла (листове ВВ) в елемен$
тах з якісною поверхнею. Джерело руйнуван$
ня знаходилося в центрі пластин у межах ро$
бочої ділянки під пуансоном з максимальним
рівнем напружень, що розтягують.
Композитний ілюмінатор в зоні напру$
жень, що розтягують, показав майже в два ра$
зи більш високу конструкційну міцність і стій$
кість до динамічного абразивного впливу пи$
лу. Граничне навантаження Р зросло до 605 кг.
Максимальні розрахункові напруження в ша$
рі лейкосапфіру знаходяться на його зовніш$
ній поверхні. Вони виявилися у 1,4 рази біль$
шими у порівнянні з пластиною зі скла без
покриття. Водночас, завдяки високому моду$
лю пружності лейкосапфіру, напруження на
поверхні скла в адгезійному шарі виявилися
у 4,5 рази меншими, ніж на сполученій з нею
внутрішній поверхні шару лейкосапфіру.
Характер руйнування анізотропного ша$
ру лейкосапфіру в шаруватому композиті
при кільцевому вигині при великих напру$
женнях показано на рис. 2. Руйнування шару
лейкосапфіру при високому рівні напружень
(300÷400 МПа) відбувається по площинах
спайності. Шар скла теж зруйнований.
Характер руйнування шару лейкосапфі$
ру при низькому рівні напружень ілюструє
рис. 3. Мають місце поодинокі тріщини у ша$
84
Світ інновацій
НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 6, 2007
рі лейкосапфіру, що є характерним для низь$
кого рівня напружень 185÷200 МПа, а сило$
вий шар скла при цьому не руйнується.
Незважаючи на руйнування шару лейко$
сапфіру і його часткове відшарування (про
що свідчить поява інтерференційних смуг в
межах ділянки відшарування), загальна ці$
лісність композиту зберігається завдяки ад$
гезійному зв'язку зі скляним шаром.
В цілому результати досліджень вказу$
ють на ефективність запропонованих шару$
ватих ілюмінаторів "скло—лейкосапфір" та їх$
ні явні переваги не тільки щодо зносостій$
кості твердої поверхні шару лейкосапфіру,
але й щодо їх конструкційної міцності. Вар$
тість ілюмінатора "Сапфір" вища за вартість
скляного ілюмінатора у два$три рази, але в
десятки та сотні разів (залежно від габаритів)
нижча від вартості ілюмінаторів з монокрис$
талічного лейкосапфіру.
5. ВИСНОВКИ
1. Комплексними дослідженнями методів
з'єднання деталей з лейкосапфіру дове$
дено, що попереднє нанесення вакуумно$
го покриття поліпшує адгезію клеїв. Зап$
ропоновано клейові та безклейові методи
з'єднання прецизійних вузлів оптико$
електронних приладів, які працюють в
широкому діапазоні температур.
2. Вперше запропоновано композитні
структури типу скло–сапфір (ілюмінатор
"Сапфір"). Показана ефективність їх зас$
тосування для підвищення стійкості ілю$
мінаторів до впливу пилу і збільшення
твердості та міцності усієї конструкції в 2
рази порівняно зі скляними ілюмінаторами.
3. Результати даних досліджень можуть бу$
ти використанні при конструюванні та
виготовленні прецизійних вузлів опти$
ко$електронних приладів з інших ма$
теріалів, які працюють в екстремальних
умовах.
Робота виконана за фінансової підтрим&
ки (інноваційний проект № 15) Президії Ака&
демії наук України та в співпраці з підрозді&
лом ДП "Завод "Арсенал" — "Гарантійний наг&
ляд та випробувальний центр "Арсенал"
(директор підрозділу — Толстих Ю. Г.).
Контур опори
Рис. 2. Характер руйнування анізотропного шару лей;
косапфіру в шаруватому композиті при кільцевому
вигині при великих напруженнях
Рис. 3. Характер руйнування шару лейкосапфіру при
низькому рівні напружень
Шар лейкосапфіру
Джерело руйнування
85НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 6, 2007
Світ інновацій
ЛІТЕРАТУРА
1. Ендопротез з сапфіровою головкою для лікування
захворювань і пошкоджень кульшового суглоба. /
Інноваційна розробка Інституту патології хребта
та суглобів ім. М. І. Ситенка АМН України та Ін$
ституту монокристалів НАН України. // Наука та
інновації. — 2006. — № 4. — С. 33.
2. Fartash B., Tangerund T., Silness J., Arvidson K.
Rehabilitation of mandibular edentulism by single
crystal sapphire implants and overdentures: 3 — 12
years results in 86 patient. // Clinical Oral Implants
Research. — 1996. — № 7. — Р. 220—229.
3. Патент України на винахід № 34362. Опуб.
15.12.2003. Бюл. № 12. Інгредієнт стоматологічних
матеріалів і спосіб його одержання. / Блецкан Д. І.,
Трапезнікова Л.В.
4. Патент України на винахід № 46529. Опуб.
15.06.2005. Бюл. № 6. Пломбувальний матеріал.
/Блецкан Д.І., Трапезнікова Л.В., Блецкан В.Т.
5. Блецкан Д. І., Блецкан О. Д., Лук'янчук О. Р.,
Машков А. І., Пекар Я. М., Цифра В. І. Промис$
лове вирощування монокристалів сапфіру ви$
дозміненим методом Кіропулоса. // Вісник Ужго$
родського університету. Серія Фізика. — 2000. —
№ 6. — С. 221—240.
6. Найдич Ю. В., Габ И. И., Куркова Д. И., Сте;
цюк Т. В. Сварка давлением неметаллических ма$
териалов между собой и с металлами для примене$
ния в экстремальных условиях. / Труды междуна$
родной конференции ММС$2005 "Современное
материаловедение: достижения и проблемы", сен$
тябрь, 2005, Киев, Украина. — С. 617.
7. Журавлев В. С., Коваль А. Ю., Найдич Ю. В., Кар;
нец М. В. Влияние добавок Ti, Zr, Hf в меди на вза$
имодействие и смачиваемость оксида Al. / Труды
Международной конференции ММС$2005 "Сов$
ременное материаловедение: достижения и проб$
лемы", сентябрь, 2005, Киев, Украина. — С. 621.
8. Добровинская Е. Р., Литвинов Л. А., Пищик В. В.
Монокристаллы корунда. — К.: Наук. думка,
1994. — 256 с.
9. Маслов В. П. Наносоединение — новый тип беск$
леевого соединения прецизионных деталей для
работы в экстремальных условиях. / Труды 4
Международной конференции МЕЕ$2006 "Мате$
риалы и покрытия в экстремальных условиях: ис$
следования, применение, экологически чистые
технологии производства и утилизации изделий",
сентябрь, 2006, Ялта, АР Крым, Украина. — С. 137.
10. Венгер Є. Ф., Локшин М. М., Маслов В. П.
Клейова композиція "Сапфір"/ Патент України
№ 20427 на корисну модель, опубл. 15.01.2007,
бюл. № 1, 2007.
11. Проблемы химии силикатов. — Л.: Наука, 1974. —
319 с.
12. Справочник технолога$оптика. / Под ред. С. М. Куз$
нецова и М. А. Окатова. — Л.: Машиностроение,
1983. — С. 414.
13. Маслюк А. Ф., Храновский В. А. Фотохимия по$
лимеризационноспособных олигомеров. — К.: На$
ук. думка, 1989 — 192 с.
14. Патент України на корисну модель № 7496, бюл.
№ 6, 15.06.05. Пристрій вимірювання величини
подвійного променезаломлювання. / Бережинсь$
кий Л. Й., Венгер Е. Ф., Маслов В. П., Сердега Б. К.
15. Венгер Є. Ф., Локшин М. М., Маслов В. П.,
Родічев Ю. М. Заявка на патент України
№ 200611964 від 13.11.2006. Ілюмінатор "Сап$
фір". Рішення про видачу деклараційного патен$
ту на корисну модель від 13 лютого 2007 року
№ 3721/1.
16. Калинина И. Д., Мельникова Т. А., Земскова И. А.
Клеевые композиции, их свойства и применение. /
Обзоры по электронной технике. Серия Материа$
лы, вып.10 (1155), ЦНИИ "Электроника", Москва,
1985, с. 62.
17. Жужнева А. П., Маслов В. П., Олейник В. Г. Ис$
следование взаимодействия клея К$400 с ситал$
лом и кварцем методом инфракрасной спектрос$
копии МНПВО. // Оптико$механическая про$
мышленность. — 1981. — № 4. — С.15—16.
18. Иванов А. В. Прочность оптических материалов. —
Л.: Машиностроение, 1989. — 144 с.
19. Блецкан Д. І., Блецкан О. Д., Лук'янчук О. Р.,
Машков А. І., Пекар Я. М. Механічна обробка
кристалів сапфіра та виготовлення підкладок із
них для потреб оптоелектроніки. // Вісник Ужго$
родського університету. Серія Фізика. — 2000. —
№ 7. — С. 161—172.
86
Світ інновацій
НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 6, 2007
Е. Ф. Венгер, М. М. Локшин, В. П. Маслов, Ю. М. Родичев, Д. И. Блецкан, Я. М. Пекар. РАЗРА;
БОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СОЕДИНЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ
ЛЕЙКОСАПФИРА В КОНСТРУКЦИОННЫЕ УЗЛЫ ОПТИКО;ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ.
Аннотация: Одной из причин, которые тормозят применение лейкосапфира, является отсутствие
комплексных технологических решений по соединению деталей, обеспечивающих надежность преци$
зионных узлов приборов. Комплексными исследованиями методов соединения доведено, что предва$
рительное нанесение вакуумного покрытия улучшает адгезию клеев. Предложены клеевые и бескле$
евые методы соединения прецизионных узлов, которые работают в широком диапазоне температур.
Впервые предложены композитные структуры типа иллюминатора "стекло–сапфир". Показана эф$
фективность их применения для повышения стойкости иллюминаторов к влиянию пыли и увеличе$
ние твердости и прочности. Результаты данных исследований могут быть распространены на преци$
зионные узлы оптикоэлектронных приборов из других материалов, которые работают в экстремаль$
ных условиях.
Ключевые слова: лейкосапфир, методы соединения, нанотехнологии, клеевые композиции, иллюми$
натор.
E. F. Venger, M. M. Lokshin, V. P. Maslov, Yu. M. Rodichev, D. I. Bletskan, Ya. M. Pekar. THE COM;
PLEX TECHNOLOGY OF JOINING SAPPHIRE PRECISION DETAILS TO CONSTRUCTIONAL
UNITS OF OPTICAL;ELECTRONIC DEVICES.
Abstract: Lack of all$inclusive technological decisions of joining of details, which provide reliability of
devices' precision$built units, is one of the problems which put a brake on sapphire application. It is proved
by comprehensive researches of the methods of joining that a preliminary vacuum coating improves an adhe$
sion of glues. We offer methods with using of glues and without it for joining of precision devices' compo$
nents, which work in a wide range of temperatures. For the first time we offer composite structures like illu$
minator "glass$sapphire" type. The efficiency of their using for the increasing of illuminators' resistance to
dust influence and for the increasing of their hardness and durability is shown. Results of given researches
can be propagated on the joining of precision units in the optoelectronic devices from other materials, which
work in extreme conditions.
Keywords: sapphire, methods of joining, nanotechnology, compositions, illuminator.
Надійшла до редакції 26.02.07.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-610 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1815-2066 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-29T06:27:09Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Національна Академія наук України |
| record_format | dspace |
| spelling | Венгер, Є.Ф. Пекар, Я.М. Локшин, М.М. Маслов, В.П. Родічев, Ю.М. Блецкан, Д.І. 2008-05-06T14:55:35Z 2008-05-06T14:55:35Z 2007 Розробка комплексної технології з'єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів / Є.Ф. Венгер, М.М. Локшин, В.П. Маслов, Ю.М. Родічев, Д.І. Блецкан, Я.М. Пекар // Наука та інновації. — 2007. — Т. 3, № 6. — С. 77-86. — Бібліогр.: 19 назв. — укp. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin3.06.077 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/610 Однією з причин, які гальмують застосування лейкосапфіру, є відсутність комплексних технологічних рішень з'єднання деталей, що забезпечують надійність прецизійних вузлів приладів. Комплексними дослідженнями методів з'єднання доведено, що попереднє нанесення вакуумного покриття поліпшує адгезію клеїв. Запропоновано клейові та безклейові методи з'єднання прецизійних вузлів, які працюють у широкому діапазоні температур. Вперше запропоновано композитні структури типу ілюмінатора "скло–сапфір". Показано ефективність їх застосування для підвищення стійкості ілюмінаторів до впливу пилу і збільшення твердості та міцності всієї конструкції. Результати даних досліджень можуть бути поширені на прецизійні вузли оптико$електронних приладів з інших матеріалів, які працюють в екстремальних умовах. Одной из причин, которые тормозят применение лейкосапфира, является отсутствие комплексных технологических решений по соединению деталей, обеспечивающих надежность прецизионных узлов приборов. Комплексными исследованиями методов соединения доведено, что предварительное нанесение вакуумного покрытия улучшает адгезию клеев. Предложены клеевые и бесклеевые методы соединения прецизионных узлов, которые работают в широком диапазоне температур. Впервые предложены композитные структуры типа иллюминатора "стекло–сапфир". Показана эффективность их применения для повышения стойкости иллюминаторов к влиянию пыли и увеличение твердости и прочности. Результаты данных исследований могут быть распространены на прецизионные узлы оптикоэлектронных приборов из других материалов, которые работают в экстремальных условиях. Lack of all-inclusive technological decisions of joining of details, which provide reliability of devices' precision-built units, is one of the problems which put a brake on sapphire application. It is proved by comprehensive researches of the methods of joining that a preliminary vacuum coating improves an adhesion of glues. We offer methods with using of glues and without it for joining of precision devices' components, which work in a wide range of temperatures. For the first time we offer composite structures like illuminator "glass-sapphire" type. The efficiency of their using for the increasing of illuminators' resistance to dust influence and for the increasing of their hardness and durability is shown. Results of given researches can be propagated on the joining of precision units in the optoelectronic devices from other materials, which work in extreme conditions. uk Національна Академія наук України Світ інновацій Розробка комплексної технології з’єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів The complex technology of joining sapphire precision details to constructional units of optical-electronic devices Разработка комплексной технологии соединения прецизионных деталей из лейкосапфира в конструкционные узлы оптико-электронных приборов Article published earlier |
| spellingShingle | Розробка комплексної технології з’єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів Венгер, Є.Ф. Пекар, Я.М. Локшин, М.М. Маслов, В.П. Родічев, Ю.М. Блецкан, Д.І. Світ інновацій |
| title | Розробка комплексної технології з’єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів |
| title_alt | The complex technology of joining sapphire precision details to constructional units of optical-electronic devices Разработка комплексной технологии соединения прецизионных деталей из лейкосапфира в конструкционные узлы оптико-электронных приборов |
| title_full | Розробка комплексної технології з’єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів |
| title_fullStr | Розробка комплексної технології з’єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів |
| title_full_unstemmed | Розробка комплексної технології з’єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів |
| title_short | Розробка комплексної технології з’єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів |
| title_sort | розробка комплексної технології з’єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів |
| topic | Світ інновацій |
| topic_facet | Світ інновацій |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/610 |
| work_keys_str_mv | AT vengerêf rozrobkakompleksnoítehnologíízêdnannâprecizíinihdetaleizleikosapfíruukonstrukcíinívuzlioptikoelektronnihpriladív AT pekarâm rozrobkakompleksnoítehnologíízêdnannâprecizíinihdetaleizleikosapfíruukonstrukcíinívuzlioptikoelektronnihpriladív AT lokšinmm rozrobkakompleksnoítehnologíízêdnannâprecizíinihdetaleizleikosapfíruukonstrukcíinívuzlioptikoelektronnihpriladív AT maslovvp rozrobkakompleksnoítehnologíízêdnannâprecizíinihdetaleizleikosapfíruukonstrukcíinívuzlioptikoelektronnihpriladív AT rodíčevûm rozrobkakompleksnoítehnologíízêdnannâprecizíinihdetaleizleikosapfíruukonstrukcíinívuzlioptikoelektronnihpriladív AT bleckandí rozrobkakompleksnoítehnologíízêdnannâprecizíinihdetaleizleikosapfíruukonstrukcíinívuzlioptikoelektronnihpriladív AT vengerêf thecomplextechnologyofjoiningsapphireprecisiondetailstoconstructionalunitsofopticalelectronicdevices AT pekarâm thecomplextechnologyofjoiningsapphireprecisiondetailstoconstructionalunitsofopticalelectronicdevices AT lokšinmm thecomplextechnologyofjoiningsapphireprecisiondetailstoconstructionalunitsofopticalelectronicdevices AT maslovvp thecomplextechnologyofjoiningsapphireprecisiondetailstoconstructionalunitsofopticalelectronicdevices AT rodíčevûm thecomplextechnologyofjoiningsapphireprecisiondetailstoconstructionalunitsofopticalelectronicdevices AT bleckandí thecomplextechnologyofjoiningsapphireprecisiondetailstoconstructionalunitsofopticalelectronicdevices AT vengerêf razrabotkakompleksnoitehnologiisoedineniâprecizionnyhdetaleiizleikosapfiravkonstrukcionnyeuzlyoptikoélektronnyhpriborov AT pekarâm razrabotkakompleksnoitehnologiisoedineniâprecizionnyhdetaleiizleikosapfiravkonstrukcionnyeuzlyoptikoélektronnyhpriborov AT lokšinmm razrabotkakompleksnoitehnologiisoedineniâprecizionnyhdetaleiizleikosapfiravkonstrukcionnyeuzlyoptikoélektronnyhpriborov AT maslovvp razrabotkakompleksnoitehnologiisoedineniâprecizionnyhdetaleiizleikosapfiravkonstrukcionnyeuzlyoptikoélektronnyhpriborov AT rodíčevûm razrabotkakompleksnoitehnologiisoedineniâprecizionnyhdetaleiizleikosapfiravkonstrukcionnyeuzlyoptikoélektronnyhpriborov AT bleckandí razrabotkakompleksnoitehnologiisoedineniâprecizionnyhdetaleiizleikosapfiravkonstrukcionnyeuzlyoptikoélektronnyhpriborov |