Формирование нанокристаллических пленок диоксида олова методом спрей-пиролиза аэрозолей

материалов на основе углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) объёмного армирования. Исследования по определению износостойкости УУКМ, проведённые на кафедре технологии машиностроения и ремонта МГУЛ, обработки материалов МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, НПО «АО Композит», ГОСНИТИ [2, 3, 4, 5, 6, 7] показывают, что данный материал имеет низкий коэффициент трения и высокую стойкость к истирающим нагрузкам, которые являются основными в щеточных узлах электрических машин. Кроме того, объёмная структура наполнителя композита препятствует образованию трещин и изменению геометрических параметров детали. Углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ) - это нитки, ткани различных схем плетения, насыщенных углеродом. УУКМ имеет электропроводность такую же, как у металлов. Интенсивность изнашивания у УУКМ меньше в 3-4 раза,

чем у щеток на металлической основе. С увеличением нагрузки средний коэффициент трения снижается с 0, 263 (при нагрузке 1Н) до 0, 002 (5Н) . Износ материала также уменьшается с 13,0888 до 0,3565 мкм. Поэтому целесообразно провести исследования в этом направлении. Также ранее проведённые исследования показали эффективность внедрения в поверхностные слои композита электротехнической меди М00, являющейся также основой ламелей коллектора электрической машины. Внедрение меди инициирует режим избирательного переноса материалов при трении, что позволяет реализовать в данных узлах эффект безызносности [8].

Применение щеток на основе УУКМ с внедрённым слоем меди по сравнению с наиболее распространенными угольными щетками существенно увеличит период наработки электродвигателя, что выгодно с технико-экономической точки зрения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акинин, Д.В. Методика проектирования близкой к оптимальной структуры парка лесных машин / Д.В. Акинин, В. Ю. Прохоров, Г.О. Комаров // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 178-179.

2. Быков, В.В. Использование новых материалов при модернизации техники / В.В. Быков, В.Ю. Прохоров, И.Г. Голубев // Ремонт, восстановление, модернизация. 2006. № 3. С. 18-20.

3. Прохоров, В. Ю. Исследование физико-химических и трибологических характеристик углерод-углеродных композиционных материалов / Техника и оборудование для села. 2014. № 4 (202). С. 20-23.

4. Голубев, И.Г. Модернизация транспортных и технологических машин с помощью альтернативных материалов. / И.Г. Голубев, В.Ю. Прохоров // Лесная промышленность. 2004. № 4. С. 24-27.

5. Антонюк, В.П. Эффективность применения наносмазочных материалов в канатно-чокерном оборудовании ЛПК / В.П. Антонюк, В.Ю. Прохоров // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 156-157.

6. Синюков, Н. В. Исследование влияния сочетания конструкционных материалов на противозадирные и противоизносные свойства смазок / Н. В. Синюков, В. Ю. Прохоров, Л. В. Окладников, // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 139-141.

7. Быков, В.В. Новые материалы и покрытия для узлов трения навесного оборудования / В.В. Быков, В.Ю. Прохоров, Л.В. Окладников // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 2-2 (7-2) С. 21-27.

8. Прохоров, В.Ю. Пути реализации эффекта безызносности шарнирных сопряжений / Труды Международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 43-46.

УДК 621.382; 537.312 Соловьев В.А., Шогунбеков Э.Д.

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ДИОКСИДА ОЛОВА МЕТОДОМ СПРЕЙ-ПИРОЛИЗА АЭРОЗОЛЕЙ

Рассмотрены методы спрей-пиролиза аэрозолей при формировании нанокристаллических газочувствительных пленок диоксида олова для сенсорных систем. Рассмотрены параметры пленок в зависимости от используемых прекурсоров аэрозоля и температуры процесса пиролиза.

Ключевые слова:

СПРЕЙ - ПИРОЛИЗ, ДИОКСИД ОЛОВА, ПРЕКУРСОР, МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ

Водород является наиболее перспективным энергоносителем вследствие его экологической чистоты и широкого распространения в природе. Водородная энергетика, наземные устройства транспортного назначения, реактивная техника, агрегаты автономной энергетики типа электрохимических генераторов тока, гидридные аккумуляторы водорода с целью хранения его в связанном состоянии и, наконец, ядерные реакторы - вот перечень техники, где требования пожаровзрывобезопасности особенно критичны. К серьёзным недостаткам водорода следует отнести его высокую взрывоопас-ность. Вот почему при эксплуатации АЭС возникает необходимость в непрерывном контроле содержания водорода в защитной атмосфере гермозоны реакторов и в других каналах атомной электростанции [1]. Снижение концентрации водорода в газовых полостях контура охлаждения достигается разбавлением смеси продувочным (вентилирующим) газом. Довзрывоопасная концентрация должна быть как можно раньше обнаружена с целью предупреждения аварийной ситуации [2]. В этой связи разработка быстродействующих автоматических сигнализаторов довзрывоопасной концентрации водорода при его натекании в свободные объёмы является актуальной задачей. Чувствительность плёночных газорезисторов к малым концентрациям водорода и водоро-досодержащих газов и их быстродействие являются теми характеристиками, которые определяют их практическую применимость в условиях появления

нештатной ситуации. Эти параметры вполне обеспечиваются тонкоплёночными сенсорами вследствие большего отношения поверхности к объёму, по сравнению с агломеративными структурами, более быстрой адсорбции-десорбции детектируемых взрывоопасных газов, широкого использования методов технологии микроэлектроники, быстроты выхода на рабочий температурный режим, миниатюрности измерительной ячейки и меньшего потребления энергии. В качестве газочувствительных элементов сенсорных систем резистивного типа широко применяются нанокристаллические пленки диоксида олова. С целью обеспечения более высокой чувствительности пленок диоксида олова к конкретному типу газовой примеси его легируют элементами, обладающими каталитическими свойствами (Р^ Си, М, Pd). Анализ вариантов модифицирования SnO2 с целью установления каталитических добавок, их концентраций и температур максимальной чувствительности к ряду токсичных и взрывоопасных газов, показал, что на сегодняшний день наиболее детально изучены сенсорные характеристики пленок SnO2, легированных благородными металлами - палладием и платиной [3].

Некоторые параметры газовых сенсоров, такие как чувствительность и время отклика, в значительной степени определяются морфологией чувствительного слоя (удельной поверхностью слоя и размером в нем пор). В связи с этим важную роль играет процесс получения чувствительного слоя.

Для получения пленок используется множество методов (таблица 2) [3, 4].

Таблица 1

Газовая чувствительность SnO2

Наименование контролируемого газа Химическая формула Каталитическая добавка, % Температура максимальной чувствительности, °C

Горючие газы метан CH4 Pt (0,5) 300

пропан СзИв Pd (0,5) 240

бутан C4H10 Pd (2,5) 300

водород H2 Pd (3) 200

Токсичные газы аммиак NH3 Pd (1) 400

оксид азота NO Pd (3) 300

диоксид азота NO2 Pd (5) 250

монооксид углерода CO Pt (0,2) 230

диоксид углерода CO2 Pd (3) 400

сероводород H2S Pt (10) 150

Пары топлива пары бензина, пары дизельного топлива Сб - С16 Pd (1) 350

Пары растворителей ацетон C3H6O Pd (1) 400

метанол CH3OH Pd (5) 250

этанол C2H5OH Pt (3) 300

Окислители кислород O2 - 300

озон O3 - 400

Таблица 2

Методы получения пленок SnO2

Получение из жидкой фазы

Напыление Испарение

Трафаретная печать, капельное нанесение, метод макания, аэрозольное напыление Термический CVD, плазменно-активированный CVD, лазерно-активированный CVD Катодное распыление, магнетронное распыление Под действием молекулярного пучка, термическое испарение, реакционное испарение, ионное покрытие, реакционное ионное покрытие, испарение в электрической дуге, лазерное испарение

В настоящее время одним из самых распространенных методов получения пленок является спрей-пиролиз аэрозолей (ASP), вследствие своей простоты и технологичности. Типичная установка для спрей-пиролиза состоит из распылителя, исходного раствора, нагревателя подложек и регулятора температуры (рисунок 1). Распылители могут быть реализованы в следующих вариантах: воздушное распыление (жидкость подвергается воздействию потока воздуха); ультразвуковое распыление (ультразвуковой генератор производит короткие волны, необходимые для точной атомизации); и электростатическое распыление (жидкость подвергается воздействию сильного электрического поля) [5].

процесса спрей-пиролиза аэрозолей

Спрей-пиролиз включает в себя множество процессов, происходящих одновременно или последовательно. Наиболее важными из них являются генерация аэрозоля и его транспорт, испарение растворителя, осаждение капель на подложку с после-

довательным распространением и разложение прекурсора (раствора). Температура осаждения участвует во всех упомянутых процессах, за исключением образования аэрозоля. Таким образом, температура поверхности подложки является основным параметром, определяющим морфологию пленки и её свойства. При увеличении температуры морфология пленки может изменяться от структуры с трещинами к пористой микроструктуре. Кроме этого немаловажное значение на свойства пленок оказывает исходный раствор (прекурсор). Растворители, типы соли, концентрация и добавки существенным образом влияют на физические и химические свойства раствора. Изменение морфологии объясняется химическим изменением прекурсора. В настоящее время для получения нанокристаллических пленок диоксида олова используется большое количество прекурсоров. Проведем анализ наиболее часто применяемых прекурсоров и рассмотрим свойства тонких пленок, полученных на их основе.

Получение нанокристаллических пленок диоксида олова из дихлорида дигидрата олова (БпС12'2Ш0) [5, 6]. Дихлорид дигидрат олова растворяют в различных растворителях. Наиболее распространенными растворителями, являются вода и спирты. Спиртовые растворители наиболее предпочтительны из-за их низкого поверхностного натяжения и вязкости, что способствует образованию мелких капель спрея, а низкая температура кипения растворителя позволяет им эффективно удаляться из камеры осаждения в паровой фазе. Процесс образования Бп02 можно записать в виде:

БпСЪ + 2Н20 ^ Бп02 + 2Н2 т + С12 Т Пленки сформированные при температуре подложки менее чем 550 0С имеют аморфную структуру, с увеличением температуры до 7 00 0С и выше пленки

обладают поликристаллической структурой. Морфология поверхности пленок при различных температурах является гладкой, а размер зерна в пленке незначительно увеличивается с ростом температуры от 50 нм до 70 нм.

Получение нанокристаллических пленок диоксида олова из тетрахлорида пентагидрата олова (SnCl4 -5ШО) [7]. В качестве растворителя тет-рахлорида пентагидрата олова в основном используется этиловый спирт и дистиллированная вода, в некоторых случаях добавляется небольшое количество соляной кислоты с целью увеличения растворимости хлорида олова. Распыление раствора осуществляется сжатым воздухом или нейтральным газом (аргон, азот), но в этом случае необходимо использовать кислород в качестве газа окислителя. Процесс реакции пиролиза можно записать в виде:

SnCl4 + 2H2O ^ SnO2 + 4HCl

Процесс образования пленок SnO2 лежит в диапазоне температур от 300 0С до 550 °С. Все пленки SnO2, сформированные при указанных температурах, являются поликристаллическими со средним размером кристаллитов ~8-15 нм. Использование в качестве окислителя воздух, а не чистого кислорода, позволяет получать пленки с более высокой кристалличностью. С ростом температуры процесса и продолжительности осаждения увеличиваются толщина пленки и средний размер зерна. Это в свою очередь приводят к увеличению шероховатости поверхности.

Получение нанокристаллических пленок диоксида олова из тетра-н-бутил олова (TNBT) [8, 9]. В

качестве растворителей этого прекурсора можно использовать спирт или воду. Разложение ТШТ при низкой концентрации кислорода приводит к образованию пленок черного цвета, из-за неполного разложения прекурсоров. Для полного разложения прекурсора необходимо примененять 80% концентрацию кислорода в газе-носителе. Средний размер частиц SnO2 снижается с 4 0 до 17 нм при увеличении температуры реакции от 300 до 700 С. Эта температурная зависимость размера частиц может быть объяснено уплотнением частиц в реакторе с увеличением температуры.

Выводы.

Температура поверхности подложки определяет степень совершенства формируемой пленки. Если температура слишком низкая, то в пленке образуются трещины. Кроме этого температура осаждения влияет на кристалличность, текстуру и другие физические свойства пленок. Прекурсор является другим важным спрей - параметром, который влияет на морфологию и свойства пленок. Кроме того, морфология пленки и свойства могут быть значительно изменены с помощью различных добавок в исходный раствор.

Анализ применяемых химических реагентов показал, что наиболее дешевым прекурсором для получения тонких пленок диоксида олова, является тетрахлорид пентагидрата олова. Пленки сформированные на его основе кристаллизуются при более низких температурах, чем из дихлорида дигидрата олова, а также не требуют дополнительного температурного отжига или применения кислорода в качестве газа - носителя при распылении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поляков Ю.А., Иванов А.Е., Кабанов Д.Г. ^нтез и оптимизация газовых сенсоров раннего обнаружения малых концентраций водорода // Технологии техносферной безопасности, 2010, № 4 (32), С. 1-14.

2. Соловьев В. А., Кондрашин В.И.Мультисенсорный газоанализатор на основе диоксида олова // Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники: сб. материалов III Всероссийской научно - технической конференции. - 2011. - С. 100 - 103.

3. Соловьев В.А. / Карпанин О.В., Метальников А.М. Автоматизированная система для получения и контроля свойств тонких пленок // Инновационные технологии в машиностроительном комплексе: сб. трудов I Международной научно-практической конференции. - Пенза: 2011. - С. 163 - 168.

4. Рембеза С.И., Свистова Т.В., Борсякова О.И., Рембеза Е.С. Влияние примеси палладия на газочувствительные свойства пленок диоксида олова // Сенсор, 2001, №2, c. 39-42.

5. Ganesh E Patil, D D Kajale, D N Chavan, N K Pawar, P T Ahire, S D Shinde, V B Gaikwad, G H Jain. Synthesis, characterization and gas sensing performance of SnO2 thin films prepared by spray pyrolysis // Bull. Mater. Sci., 2011, Vol. 34, No. 1, pp. 1-9.

6. E. Elangovan, M. P. Singha, M. S. Dharmaprakashb, K. Ramamurthi Some physical properties of spray deposited SnO2 thin films // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials Vol. 6, No. 1, March 2004, p. 197 - 203.

7. G. Korotcenkov, V. Brinzari, V. Golovanov Y. Blinov. Kinetics of gas response to reducing gases of SnO2 films, deposited by spray pyrolysis // Sensors and Actuators, 2004 B 98 p. 41-45.

8. Ki Young Kim, Seung Bin Park. Preparation of nanosize SnO2 particles in an aerosol reactor by pyrolysis of tetra-n-butyl tin // Journal of materials science № 34, 1999, p. 5783 - 5788.

9. S. Kaneko, S. Kawasaki, P. V. V. Jayaweera and G. R. A. Kumara. Preparation of Fluorine-doped Tin Oxide by a Spray Pyrolysis Deposition and Its Application to the Fabrication of Dye-sensitized Solar Cell Module // www.spdlab.com/ICCG8th.pdf

УДК 615.914

Шевченко А.В., Груненков Н.В., Акимов Д.М.

ФГБОУ ВО Московский политехнический университет, факультет Машиностроения, Москва, россия МОДЕРНИЗАЦИЯ ФРЕЗЕРНО-ГРАВИРОВАЛЬНОГО СТАНКА СМС2020В

В этой статье описывается процесс модернизации непрофессионального фрезерно-гравировального станка с числовым программным управлением на основе персонального компьютера. Главной задачей данного процесса модернизации является выявление недостатков в существующей системе, поиск путей устранения уязвимостей системы и проверка качества проделанной работы на реальной действующей системе. Результатом проделанной работы станет оборудование, пригодное для оптимизации процесса создания промышленного образца любых малогабаритных изделий: от печатных плат до элементов корпусов радиоэлектронных устройств, оснащённое новыми функциональными возможностями и выведенное на новый качественный уровень за счет увеличения скорости перемещения рабочего инструмента, увеличения мощности шпинделя и интеграции возможности управления скоростью вращения инструмента, а так же имеющее потенциал в области оптимизации рабочего процесса при пользовании этим оборудованием

Ключевые слова:

СТАНКИ С ЧПУ, LINUXCNC, СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, МОДЕРНИЗАЦИЯ СТАНКОВ

Введение решается с помощью использования станков с чис-

При разработке устройств невозможно обойтись ловым программным управлением, которые в наши без изготовления прототипов: изготовление кор- дни получили широкое распространение практически пусов, печатных плат и других элементов вручную во всех сферах машиностроения: от производства отнимает много времени, а качество полученных сувенирной продукции до ракетостроения. Одним из изделий оставляет желать лучшего. Эта проблема самых бюджетных вариантов станка с ЧПУ является

cnc2020b.