УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ВЗРЫВОМ ФОЛЬГИ
DEVICE FOR APPLICATION OF COATINGS WITH ELECTRIC FOIL EXPLOSION

Изобретение относится к оборудованию в области нанотехнологий для создания мелкодисперсных и наномасштабных металлических порошков, а также к нанесению металлических покрытий и может найти применение в машиностроительной, приборостроительной, радио- и электронной промышленности.
На сегодняшний день известны различные устройства для нанесения покрытия электрическим взрывом фольги (патент РФ №1482246, кл. С23С 14/32, опубл. 1995.02.09). В устройстве для нанесения покрытия электрическим взрывом фольги центральный электрод и межэлектродный изолятор расположены относительно кольцевого электрода на расстоянии h, выбираемом из выражения 0,1R<h<(R-r), где R и r - соответственно внутренний радиус кольцевого электрода и радиус центрального электрода. Благодаря этому снижается неравномерность распределения плотности тока и выделения энергии по радиусу фольги. Это, в свою очередь, способствует более равномерному разрушению фольги и однородности образующихся продуктов взрыва. Наличие сопла Лаваля способствует дальнейшему диспергированию и доиспарению жидкой фазы в пароплазменном потоке. На срезе сопла Лаваля установлен цилиндрический насадок, стенки которого перфорированы. Наличие перфорации способствует выравниванию профиля скоростей потока продуктов взрыва, улучшению равномерности их осаждения на подложке и увеличению площади равномерного по толщине покрытия.
Рассматриваемое устройство предназначено для улучшения качества покрытия за счет повышения равномерности распределения конденсата по поверхности подложки и увеличения площади наносимого покрытия. Недостатком является отсутствие надежного электрического контакта между центральным электродом и взрывающейся фольгой, что не обеспечивает должной стабильности возникновения и протекания электрического взрыва фольги и, в свою очередь, сказывается на однородности дисперсности металлического порошка и качестве покрытия. Также успешная работоспособность данного устройства возможна при малых геометрических размерах взрывающейся фольги.
Наиболее близким из известных технических решений является устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее кольцевой и центральный коаксиальные высоковольтные электроды с изолятором между ними и направляющее сопло, центральный электрод выполнен в виде двух полых коаксиально расположенных цилиндров, причем внутренний цилиндр выполнен с возможностью осевого перемещения относительно внешнего цилиндра, а в полости внутреннего цилиндра соосно с ним расположен шток, на конце которого имеется металлический прижимной элемент цангового типа, имеющего в верхней части упругие элементы в виде лепестков, на конце внутреннего цилиндра имеется посадочное гнездо в виде конуса для размещения прижимного элемента цангового типа, при этом внешний диаметр внутреннего цилиндра равен диаметру отверстия, выполненного в фольге, в котором установлен внутренний цилиндр, причем лепестки прижимного элемента расположены над поверхностью фольги, и при перемещении внутреннего цилиндра и штока вниз диаметр прижимного элемента равен внешнему диаметру внешнего цилиндра в момент прижима лепестков к фольге (Первый вариант патента РФ №2378414, кл. 6 С23С 14/32, опубл. 2010.01.10).
Рассматриваемое устройство предназначено для повышения производительности процесса напыления за счет создания надежного электрического контакта между центральным электродом и взрывающейся фольгой, но не обеспечивает условие формирования однородности взрыва фольги, т.е. однородного разрушения и диспергирования фольги, что отрицательным образом сказывается на процессе диспергирования и качества покрытия.
Техническим результатом изобретения является формирование квазиоднородного электрического взрыва за счет использования взрывающейся фольги в виде фигурной шайбы, имеющей с одной из сторон ступенчатый профиль, и применения промежуточных кольцевых электродов с прижимными элементами в виде спиц, что приводит к повышению дисперсности металлического порошка и улучшению качества наносимого покрытия.
Поставленный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащем кольцевой и центральный коаксиальные высоковольтные электроды с изолятором между ними, направляющее сопло и взрывающуюся фольгу, расположенную на торце механически прочного диэлектрического цилиндра, отличающемся тем, что взрывающаяся фольга выполнена в виде фигурной шайбы со сквозным отверстием в центре, имеющей с одной из сторон ступенчатый профиль в радиальном сечении, при этом высота ступенек уменьшается от центра к периферии, в области образования ступенек взрывающейся фольги концентрически расположены промежуточные кольцевые электроды, выполненные заодно целое и из того же металла, имеющие симметрично расположенные перпендикулярно плоскости сечения фольги прижимные элементы в виде спиц, причем сопряженные поверхности взрывающейся фольги и торца диэлектрика являются плоскостями.
Применение взрывающейся фольги, выполненной в виде фигурной шайбы со сквозным отверстием в центре, имеющей односторонний ступенчатый профиль в радиальном сечении, при этом высота ступенек уменьшается от центра к периферии, обеспечивает разбиение фольги на концентрически расположенные кольцевые зоны, которые обладают собственным омическим сопротивлением. Благодаря представленной геометрии взрывающейся фольги осуществляется последовательное электрическое соединение взрывающихся кольцевых зон фольги между собой. Последовательное соединение кольцевых зон определяет условие равенства плотности разрядного тока и, соответственно, идентичности протекания физических процессов электрического взрыва проводников.
Наличие промежуточных кольцевых электродов, выполненных заодно целое и из того же металла, что и взрывающаяся фольга, позволяет создать условие формирования квазиоднородного электрического взрыва всей фольги. Ступенчатое изменение толщины взрывающейся фольги и концентрическое расположение промежуточных кольцевых электродов обеспечивает симметрию процесса взрыва и позволяет создать условие равенства плотности разрядного тока для каждого кольца фольги. Общее падение напряжения на соответствующих участках электрической цепи определяется алгебраической суммой напряжений участков.
Наличие у промежуточных кольцевых электродов симметрично расположенных перпендикулярно плоскости сечения фольги прижимных элементов в виде спиц позволяет осуществить закрепление взрывающейся фольги на торце диэлектрического цилиндра. Диэлектрический цилиндр имеет посадочные сквозные отверстия для прижимных элементов. Торец диэлектрического цилиндра исполняет роль абсолютно жесткой стенки. Расположение врывающейся фольги на торце диэлектрического цилиндра, выполненного с плоским профилем сопряженной поверхности взрывающейся фольги, обеспечивает условие создания самоприжатого разряда. Закрепление взрывающейся фольги ужесточает условие создания самоприжатого разряда. В начальной стадии протекания электрического взрыва не происходит паразитного смещения и деформации фольги, а поток мелкодисперсных частиц, возникающих вследствие электрического взрыва, распространяется в одном направлении.
Таким образом, обеспечиваются условия формирования квазиоднородного взрыва, что приводит к повышению дисперсности металлического порошка и улучшению качества наносимого покрытия.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция устройства для нанесения покрытия электрическим взрывом фольги, на фиг.2 представлен фрагмент кольцевой фольги, имеющей с одной из сторон ступенчатый профиль в радиальном сечении, на фиг.3 представлена взрывающаяся фольга в виде фигурной шайбы, имеющей с одной из сторон ступенчатый профиль в радиальном сечении, с прижимными элементами в виде спиц.
Взрывающаяся фольга 1 изготавливается в виде фигурной шайбы, имеющей с одной из сторон ступенчатый профиль в радиальном сечении, а высота ступенек уменьшается от центра к периферии. Кроме того, в области образования ступенек взрывающейся фольги 1 расположены промежуточные кольцевые электроды 2, выполненные заодно целое и из того же металла, имеющие симметрично расположенные перпендикулярно плоскости сечения фольги 1 прижимные элементы в виде спиц 3. Взрывающаяся фольга 1 располагается на торце механически прочного диэлектрического цилиндра 4. Профиль торца диэлектрического цилиндра 4 повторяет профиль сопряженной поверхности взрывающейся фольги 1. Центральный высоковольтный электрод 5 установлен в соосном отверстии диэлектрического цилиндра 4 и соединен с центральной частью взрывающейся фольги 1, образуя надежный электрический контакт. Кольцевой высоковольтный электрод 6 расположен соосно на боковой поверхности диэлектрического цилиндра 4, образуя надежный электрический контакт с периферийной частью взрывающейся фольги 1 посредством прижимного действия сопряженных поверхностей направляющего сопла 7 и кольцевого высоковольтного электрода 6. Диэлектрический цилиндр 4 является изолятором между центральным высоковольтным электродом 5 и кольцевым высоковольтным электродом 6.
Устройство работает следующим образом.
В качества источника высокого напряжения используется генератор импульсных токов конденсаторного типа. При подаче высокого напряжения с использованием блока управления (БУ) на центральный высоковольтный электрод 5 и кольцевой высоковольтный электрод 6 возникает электрическое поле, силовые линии которого располагаются радиально. Соответственно, ток электрического разряда будет протекать радиально по взрывающейся фольге 1. В силу представленной геометрии взрывающейся фольги 1, выполненной с промежуточными кольцевыми электродами 2, и наличия центрального высоковольтного электрода 5 и кольцевого высоковольтного электрода 6, взрывающаяся фольга 1 разбивается на кольцевые зоны, соединенные последовательно и обладающие определенным омическим сопротивлением. Таким образом, эквивалентная электрическая схема представляется как последовательное соединение электрических сопротивлений, на которые подается высокое напряжение. В силу симметричного распределения тока осуществляется квазиоднородный нагрев с последующим возникновением фазовых переходов, квазиоднородный электрический взрыв фольги 1 и электрический разряд с формированием плазменного образования по продуктам взрыва, что влечет за собой увеличение однородности мелкодисперсных и наноразмерных металлических порошков и повышение качества покрытия.