Применение низкотемпературной плазмы вч-разряда пониженного давления в процессах ионной полировки матированного стекла

УДК 535:533.9

И. С. Мифтахов, Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, А. О. Фадеев

ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ВЧ-РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ ИОННОЙ ПОЛИРОВКИ МАТИРОВАННОГО СТЕКЛА

Ключевые слова: ВЧразряд, полировка, аморфная структура, шероховатость, КЛСМмикроскопия.

Экспериментально установлено, что ВЧИ-плазменная обработка в среде аргона позволяет реализовать процессы ионной полировки матированного стекла, как при использовании образцов рельефом поверхности 0,09 мкм. При этом амплитудные значения высот рельефа уменьшаются на 20-35 %, а расчетные усредненные значения шероховатости Ra и Rz снижаются от 10 до 30 %.

Keywords: RF discharge, polishing, amorphous structure, roughness, CLSM microscope.

It was established experimentally that the processing of low-temperature plasma of an RF discharge of low pressure in argon allows you to implement the processes of ion polishing frosted glass, when using samples with the surface topography of 0.09 pm. The amplitude of the terrain heights are reduced by 20-35 %, and the calculated average roughness values Ra and Rz are reduced from 10% to 30%.

На сегодняшний день, установлено, что современные технологические процессы предъявляют чрезвычайно высокие требования качества полировки и финишной доводки поверхности оптических систем. Одним из перспективных методов прецизионной обработки материалов является ионная и ионно-плазменная полировка в условиях низкотемпературной плазмы.

Плазма высокочастотного разряда пониженного давления является прекрасным источником ионов. При этом низкоэнергетический ионный поток является равномерным, не сфокусированным с широким диапазоном варьирования энергии и плотности. В условиях ВЧ-плазмы пониженного давления реализуются процессы ионной полировки, основанные на разнообразных элементарных закономерностях взаимодействия ускоренных ионов с материалом. ВЧ-плазма пониженного давления позволяет проводить низкоэнергетическую ионную полировку материалов разного химического строения и фазового состава. Указанные особенности демонстрируют эффективность ВЧ плазменного метода для процессов финишной полировки оптических изделий [1-3].

В качестве объектов исследования использовались образцы матового стекла по ГОСТ 32360-2013. Обработка проводилась в экспериментальной ВЧИ плазменной установке [4]. Образцы устанавливались над срезом плазматрона с контролем высоты (Н), также контролировались значения силы тока на аноде лампы (1а), расход плазмообразующего газа (в), время обработки (Т) и давление в камере (Р). Режимы плазменной обработки приведены в таблице 1.

Изменение рельефа вследствие НТП обработки исследовался методом КЛСМ в режиме лазерного сканирования. Расчет параметров шероховатости проводился с применением ПО для обработки КЛСМ-данных ЬБХТ-4000. Результаты КЛСМ-исследований представлены на рисунках 12, расчетные параметры шероховатости образцов приведены в таблице 2.

Таблица 1 - Режимы НТП-плазменной обработки образцов матового стекла

Образец Режим ВЧИ-плазменной обработки

Образец №1 Ia = 1,5 А, G= 0,08 г/с, T=15 мин, H=65 мм, Р=300 Па, плазмообразующий газ - аргон

Образец №2 Ia = 2,0 А, G= 0,08 г/с, T=15 мин, H=65 мм, Р=300 Па, плазмообразующий газ - аргон

Образец №3 Ia = 2,5 А, G= 0,08 г/с, T=15 мин, H=65 мм, Р=300 Па, плазмообразующий газ - аргон

Рис. 1 - КЛСМ-изображение поверхности стекла без НТП обработки, образец № 1

Рис. 2 - КЛСМ-изображение поверхности стекла после НТП обработки, образец № 1

Таблица 2 - Расчетные параметры шероховатости образцов матового стекла до и после НТП-полировки

№ мкм мкм

без НТП после НТП без НТП после НТП

Образец 1 0,089 0,074 0,363 0,284

Образец 2 0,092 0,08 0,37 0,301

Образец 3 0,091 0,072 0,387 0,277

На основе проведенных экспериментальных исследований, установлено, что при ВЧИ -плазменной обработке образцов матированного стекла в режимах 1а = 1,5 А, 0= 0,08 г/с, 7=15 мин, Р=300 Па, с высотой установки образца над срезом плазмотрона 65 мм удается добиться снижения шероховатости на 10 - 20 % (с Яа = 0,089 мкм до Яа = 0,074 мкм). Основным процессом модификации поверхности является физическое ионное распыление материала при бомбардировке ионами аргона и фокусировки ионов на выступах микрорельефа [5]. Одними из ключевых факторов управления рельефов являются продолжительность экспозиции и высота над срезом плазмотрона.

Проведены дополнительные исследования ВЧ-плазменной обработки образцов матированного стекла с уменьшением высоты расположения заготовки до 30 мм. Режимы НТП-обработки представлены в таблице 3. Результаты КЛСМ-исследований приведены на рисунках 3-4, расчетные параметры шероховатости образцов приведены в таблице 4.

Таблица 3 - Режимы НТП-плазменной обработки образцов матового стекла

Образец Режим ВЧИ-плазменной обработки

Образец №4 1а = 1,5 А, 0= 0,08 г/с, 7=15 мин, Н=30 мм, Р=300 Па, плазмообразующий газ - аргон

Образец №5 1а = 2,0 А, 0= 0,08 г/с, 7=15 мин, Н=30 мм, Р=300 Па, плазмообразующий газ - аргон

Образец №6 1а = 2,5 А, 0= 0,08 г/с, 7=15 мин, Н=30 мм, Р=300 Па, плазмообразующий газ - аргон

Рис. 3 - КЛСМ-изображение поверхности стекла без НТП обработки, образец № 4

Рис. 4 - КЛСМ-изображение поверхности стекла после НТП обработки, образец № 4

Таблица 4 - Расчетные параметры шероховатости образцов матового стекла до и после НТП-полировки

№ мкм мкм

без НТП после НТП Без НТР после НТП

Образец 4 0,09 0,078 0,366 0,321

Образец 5 0,093 0,075 0,375 0,291

Образец 6 0,087 0,056 0,345 0,205

На основе проведенных экспериментальных исследований установлено, что при ВЧИ -плазменной обработке образцов матированного стекла в режимах 1а = 1,5 А, 0= 0,08 г/с, 7=15 мин, Р=300 Па, с высотой установки образца над срезом плазмотрона 30 мм удается добиться снижения шероховатости до 35 % (с Яа = 0,087 мкм до Яа =

0.056.мкм (в качестве примера приведен образец №6). Основным процессом модификации поверхности является физическое ионное распыление материала при бомбардировке низкоэнергетическими ионами аргона. Одними из ключевых факторов управления рельефом являются продолжительность экспозиции и высота над срезом плазмотрона.

Высота установки образца над срезом плазмотрона в 65 мм позволила добиться снижения шероховатости на 10-20%, уменьшение высоты до 30 мм позволило улучшить показатели шероховатости до 20-35%.

Работа выполнена в рамках контракта №13-101/470К от 11 июня 2013г. (тема 52-13), проект № 1779.

Литература

1. Мифтахов, И.С. Ионная полировка оптических материалов аморфного строения в условиях ВЧ-разряда пониженного давления / И.С. Мифтахов, Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, // Вестник казанского технологического университета. - 2014. -№ 23.- С. 73-74.

2. Трофимов, А.В. Формирование функционального микрорельефа на поверхности оптических материалов

аморфного строения в условиях вч-разряда пониженного давления / А.В. Трофимов, Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, М. Алкин // Вестник казанского технологического университета. -2014. - № 23.- С. 85-86.

3. Вурзель Ф.Б. Плазменная обработка стекла. / Ф. Б. Вурзель, В. Ф. Назаров, Е. М. Попова // Физика и химия обработки материалов. - 1978 -№2-С.53-57.

4. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин,

В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. - Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та, 2000. - 348 с.

5. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Сагбиев И.Р., Шарафеев Р.Ф. Влияние геометрии поверхности образца на режим обработки высокочастотной плазмой пониженного давления // «Высокочастотный разряд: теория и техника»: материалы конференции / М-во образ. и науки РФ, Казан. гос. технол. ун-т. - Казань: КГТУ, 2011. - С.72-74.

© И. С. Мифтахов - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, fortmayn@mail.ru; Э. Ф. Вознесенский - д.т.н., проф. той же кафедры, howrip@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; А. О. Фадеев -студ. той же кафедры, temchik17@mail.ru.

©LS. Miftakhov, graduate of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, fortmayn@mail.ru; E. F. Voznesensky, Doctor of Technical Sciences, Professor the same Department, howrip@mail.ru; L Sh. Abdullin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of. « Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, abdullin_i@kstu.ru; A. O. Fadeev, student the same Department, temchik17@mail.ru.