Сравнительный анализ способов формирования проводящего покрытия внутренней поверхности волновода малого сечения

УДК 621.38

Я. И. Бульбик, Т. Т. Ереско, С. И. Трегубов, И. И. Хоменко

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОВОДЯЩЕГО ПОКРЫТИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ВОЛНОВОДА МАЛОГО СЕЧЕНИЯ

Приводится сравнительный анализ способов изготовления волноводов малого прямоугольного сечения для применения в спутниковой связи. Предложен способ формирования проводящего покрытия внутренней поверхности волновода, конструкционным материалом которого является углепластик.

Развитие спутниковой связи миллиметрового диапазона выдвигает ряд технологических задач формирования соответствующих электромагнитных направляющих систем, в частности прямоугольных волноводов с сечениями внутренней полости 3,6Х1,8; 2,4Х1,2 мм и др. Наиболее приемлемой для указанных направляющих систем является двухслойная конструкция, в которой внешний слой (несущая конструкция) изготавливается из легкого и прочного материала, обеспечивающего стабильные геометрические параметры, а проводящий слой внутренней полости формируется из немагнитного материала с высокой электропроводностью (медь, латунь, серебро).

Качество проводящего покрытия оценивается по вносимому затуханию, зависящему от величины активной составляющей поверхностного сопротивления R , которая обратно пропорциональна электропроводности и глубине проникновения электромагнитного поля в покрытие. Кроме того, R зависит также от параметра шероховатости R , величина которого не должна превышать половинного значения от глубины проникновения электромагнитного поля в покрытие. С уменьшением длин миллиметрового диапазона волн растет поглощение излученной СВЧ-энер-гии в атмосфере, что позволяет использовать это явление в оценке толщины озонового слоя и мониторинга степени загрязнения атмосферы промышленными газами как источника роста парникового эффекта. Переход к малым длинам волн также создает возможности для уменьшения веса и габаритных размеров бортовой радиотехнической аппаратуры, что соответствует современной концепции развития спутниковых систем [1 ].

Основной целью данной статьи является экспериментальное исследование потенциально пригодного способа формирования проводящего покрытия внутренней поверхности волноводных секций малого сечения на основе сравнительного анализа существующих технических решений.

Проведенный патентный поиск выявил ряд способов и устройств, направленных на решение проблемы нанесения токопроводящих и других (декоративных, защитных и пр.) покрытий на внутренние поверхности трубчатых изделий.

Например, известный способ изготовления волноводов, где проводящим слоем является металлическая фольга [2], осуществляется следующим образом. Ленту металлической фольги, подаваемую в продольном направлении, формируют в цилиндрическую заготовку любого сечения, затем производят отбортовку кромок цилиндрической заготовки, соединяют их дуговой сваркой в атмосфере защитного газа, после чего полученное ребро отгибают к поверхности цилиндрической заготовки.

Полученная в соответствии с предлагаемым способом цилиндрическая заготовка имеет внутреннюю зеркальную поверхность, поэтому вполне пригодна для канализации СВЧ-энергии.

На наружную поверхность цилиндрической заготовки последовательно наносят двухслойное защитное покрытие, причем в качестве первого слоя используют сополимер полиэтилена, обогащенный мономером, а в качестве второго слоя - полиэтилен. Тонкая металлическая лента, покрытая двухслойным защитным покрытием, приобретает требуемую механическую прочность, обеспечивающую сохранение приданной ей формы и при значительных механических перегрузках и изгибах. В качестве материала для фольги используют медь или алюминий.

Изготовленный предлагаемым способом волновод при высокой устойчивости формы легко гнется и может быть намотан на барабан, транспортируется без затруднений и прокладывается без больших затрат. Благодаря высокой гибкости он может быть приспособлен к требуемым изгибам по разным радиусам, без изменения качества внутренней поверхности, которая является направляющей системой для электромагнитных волн. Этот способ позволяет изготавливать волновод непрерывной длины и обеспечивает минимальные потери при канализации СВЧ-энергии.

Основным недостатком данного способа является сложность получения медной или алюминиевой фольги, полностью удовлетворяющей перечисленным выше требованиям, предъявляемым к проводящему покрытию волновода малого сечения. Производство фольги сопровождается большим количеством дефектов [3], к которым относятся поверхностные тональные полосы, которые ухудшают качественные показатели готовой продукции.

Известен способ изготовления волновода [4], принимающего рабочую форму поперечного сечения под избыточным давлением газа-наполнителя (рис. 1, 2). Волновод состоит из двух основных металлополимерных лент

1, 2 и двух дополнительных металлополимерных лент 3, 4, которые расположены на наружной поверхности основных металлополимерных лент 1, 2 в месте стыка. Основные и дополнительные металлополимерные ленты соединены сварными швами.

Волновод изготавливается следующим образом. Две основные металлополимерные ленты 1, 2 укладывают одну на другую легкоплавкими диэлектрическим слоями наружу, их края огибают дополнительными металлополимерными лентами 3, 4, уложенными легкоплавкими слоями внутрь, при этом их края располагают в одной плоскости. Затем проводят сварку основных и дополни-

тельных металлополимерных лент 1...4 путем их протягивания через сварочное устройство, вследствие чего вдоль краев основных и дополнительных металлополимерных лент 1...4 образуется сварочный шов, соединяющий их между собой. Недостатком данного способа является сложность изготовления волновода малого сечения.

1

Рис. 2. Волновод под воздействием газа-наполнителя

Разработан способ нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубчатого сечения посредством детонационного напыления [5].

Детонация представляет собой взрыв, распространяющийся с постоянной и максимально возможной для данного взрывчатого вещества и данных условий скоростью, превышающей скорость звука в данной среде. Если смесь газов, заключенная в трубе - стволе, поджигается с одной стороны (с помощью электрической искры или взрывчатого вещества), то фронт пламени распространяется вдоль ствола с возрастающей скоростью до тех пор, пока в газе не возникнет детонационная волна, скорость распространения который составляет 2...4 км/с. Напыляемому порошку (определенную дозу порошка заранее вводят в ствол) полученным в результате детонационного горения газовой смеси высокоскоростным потоком придают необходимое ускорение и наносят его в виде покрытия на изделие, устанавливаемое на пути потока газов и порошка. Скорость движения частиц напыляемого порошка составляет 600...1 000 м/с. К преимуществам этого метода следует отнести то, что высокие скорости напыляемых частиц позволяют получать покрытия высокого качества: прочность сцепления при отрыве достигает 200 МН/м2; плотность детонационных покрытий в большинстве случаев > 98 %; нагрев напыляемого изделия умеренный (обычно < 250 °С); покрытия могут быть нанесены на изделие с твердостью < 60 RC.

Известен способ нанесения металлических покрытий на внутреннюю поверхность полых изделий методом электрического взрыва проводника [6]. Установка для нанесения покрытий взрывом проводника, содержащая механизм подачи проволоки с направляющими, источник

питания и систему токоподвода с электродами, снабжена высоковольтным трансформатором, подключенным к проволоке и электродам, а электроды выполнены в виде глобоидальных роликов, установленных с возможностью вращения. Установка работает следующим образом: полую деталь помещают в механизме для закрепления изделия так, чтобы ось ее симметрии совпадала с осью проволоки, затем подают напряжение от трансформатора на проволоку и электроды. Пространство между электродом и проволокой ионизируется и пробивается разрядом от источника импульсного тока. Ток, проходя через проволоку, распыляет ее, и покрытие наносится на поверхность детали.

Недостатками данных способов является затрудненное напыление внутренних поверхностей малого сечения.

Имеется способ изготовления волновода, имеющего прямоугольное сечение [7]. Способ относится к технике СВЧ и может быть использован при изготовлении волноводов, в частности волноводов малого сечения. Его целью является упрощение технологии изготовления и обеспечение возможности варьирования одним из размеров прямоугольного волновода. Прямоугольный волновод изготавливают из двух частей, выполняемых из заготовки Г-образного сечения (рис. 3), внутренний размер одной из сторон которой равен размеру одной из стенок прямоугольного волновода. При соединении частей другой размер прямоугольного волновода изменяется и может устанавливаться с помощью калибра или путем измерения и перемещением (рис. 4). Использование этого способа изготовления волновода имеет ограниченное применение - только для прямых секций.

-с;

Рис. 3. Заготовка Г-образного сечения

Рис. 4. Волновод в сборе

В настоящее время основным методом получения проводящего покрытия на внутренней поверхности волноводов является гальванический метод.

Найден способ изготовления волноводов [8], заключающийся в изготовлении заготовок 1 и покрытии их гальванической медью 2 толщиной 3...6 мкм и размещении их на диэлектрическом держателе (рис. 5). Целью этого способа является - снижение стоимости за счет исключения

покрытия драгоценными металлами и повышение производительности. Рабочие поверхности заготовок подвергают облучению ионами аргона или неона, обладающими энергией в пределах 50... 100 кэВ дозами (1,2...3,0)1016 см2 с плотностью тока 0,2...0,8 мкА/см2 при одновременном наложении ускоряющего напряжения 100...300 В. После этого проводится сборка волновода методом диффузионной сварки (рис. 6). Волновод, выполненный в соответствии с этим способом, обладает высокими электропроводностью на СВЧ и коррозионной стойкостью.

Ионы

1111111 ШИ

2

^ис. иораоотка раОочих поверхностей заготовок

Рис. 6. Волновод в сборе

Данный способ относится к технике СВЧ и может быть использован при изготовлении волноводных трактов и устройств преимущественно миллиметрового диапазона длин волн.

Техническое решение, описанное в авторском свидетельстве [8], позволяет получить токопроводящее покрытие на внутренней поверхности волновода любого по размерам прямоугольного сечения, но сборка волновода производится методом диффузионной сварки, что отрицательно влияет на точность геометрических размеров сечения по длине волновода.

При относительной простоте гальваническому методу присущ и ряд недостатков:

- неравномерное распределение электролитических осадков по рельефной поверхности форм, затрудняющих изготовление деталей с острыми углами, углублениями и каналами;

- ограниченное число металлов и сплавов, которое можно использовать для изготовления деталей;

- относительно невысокая скорость осаждения металлов, которая делает процесс изготовления деталей довольно продолжительным;

- получение неравномерного покрытия при малой плотности тока;

- матовость и пригары на покрытии - при высокой плотности тока [9];

- образование темных полос и точек на покрытии при недостатке серной кислоты и большом выделении водорода на катоде;

- повышение шероховатости поверхности на два класса;

- низкая экологичность производства.

Кроме того, к недостаткам гальванического метода можно отнести возможность загрязнения покрытия реагентами, использующимися в электролитах, что снижает проводимость наносимого металла, а также высокую пористость при малых толщинах покрытий. Последнее, кроме увеличения удельного сопротивления, приводит к сорбции газов в покрытии. И, как отмечалось выше, именно данное обстоятельство и ограничивает применение гальванического метода при изготовлении волноводов, применяемых в условиях разреженной газовой среды или в вакууме. В связи с этим отметим, что частоте 75 ГГц на медном покрытии необходимо обеспечить малое значение параметра шероховатости К а < 0,12 мкм при К = 0,07 Ом.

Альтернативными методами нанесения тонких пленок, удовлетворяющих поставленной задаче, являются методы вакуумного напыления. Интенсивность применения метода испарения и конденсации в вакууме за последние годы увеличилась. Это обусловлено универсальностью технологии, высокой производительностью процесса нанесения покрытий, малой энергоемкостью и рядом других преимуществ по сравнению с традиционными методами получения покрытий различного функционального назначения (гальваническим осаждением, плакированием и т. д.), экологически чистой технологией производства. Также одним из основных преимуществ метода испарения и конденсации в вакууме тонких проводящих пленок является низкая газонаполненность, что снижает время дегазации в рабочих условиях применения.

Произведенный обзор патентных и литературных источников выявил ряд технических решений, в которых получение проводящего покрытия осуществляется в вакууме [10; 11 и др.].

Устройство для нанесения покрытий в вакууме [10] содержит вертикальную камеру, испаритель в виде проволоки, расположенный по оси камеры, токоподводы и груз. Чтобы компенсировать термическое расширение с целью равномерного покрытия на внутренней поверхности труб путем предотвращения разрыва испарителя в период проведения процесса, это устройство оно снабжено стержнем, установленным параллельно испарителю, траверсами, соединяющими испаритель и стержень, и ограничителем, закрепленным на стержне, причем одна из траверс выполнена так, чтобы она могла перемещаться относительно стержня, а в ней смонтирован груз.

Технические решения [10; 11 и др.] не позволяют получить проводящее покрытие на внутренней поверхности волновода малого сечения (менее 10 мм), ввиду необходимости расположения внутри элементов технологической оснастки.

Проведенный анализ позволил предлагается способ изготовления волноводов, заключающийся в нанесении в вакууме проводящего слоя на оправку, последующим нанесением углепластика и удалением выплавляемой оправки. Способ позволяет получать проводящие покрытия, удовлетворяющие практически всем вышеперечисленным требованиям. Кроме того, он позволяет получить волноводы любой конфигурации.

Наибольшее распространение имеют проводящие покрытия из меди, алюминия и их сплавов. Серебро и

золото применяют в качестве проводников лишь в специальных случаях.

В качестве основного проводящего покрытия выбирается медь, так как она обладает хорошим сцеплением с различными металлами, а по электропроводности и теплопроводности медь уступает лишь серебру. В качестве защитного слоя используется серебро, оно стойко к окислению в различных средах.

На основании анализа существующих технологических процессов нанесения покрытий в вакууме и производственного опыта, накопленного в лаборатории вакуумной техники, предлагается следующий технологический маршрут:

- обработка поверхности оправки (модели);

- внутрикамерная обработка поверхности;

- нанесение проводящего покрытия;

- контроль поверхности;

- нанесение углепластика;

- удаление модели;

- окончательный контроль волноводной секции.

Обработка поверхности удаляемой модели. Внека-

мерная подготовка подложки к покрытию предназначена для удаления с поверхности подложки жиров, пыли и других загрязнений. Во время всех этапов работу производят в хлопчатобумажных перчатках при соблюдении мер безопасности.

Для предварительной очистки используем бензин Б-70 низкооктановый комнатной температуры, для удаления с поверхности подложки жиров и загрязнений, которые, как мы выяснили ранее, приводят к плохому сцеплению материалов основы и пленки.

Сушка производится в печи SUP-4 при температура Т = 60...70 °С, время сушки г = 45...60 мин. Высушивание образцов осуществляется в специальной печи, оборудованной колпаком для предотвращения попадания микрочастиц пыли из воздуха.

Чистовая очистка парами изопропилового спирта производится для удаления микрочастиц с поверхности подложки. Время очистки г = 10...15 мин.

Высушивание образцов сушкой горячим воздухом (Т = 60...70 °С; г = 15...20 мин) производится в специальной печи, оборудованной колпаком для предотвращения попадания микрочастиц пыли из воздуха.

Внутрикамерная обработка поверхности. Откачка вакуумной системы производится от атмосферного давления до Р = 5-10-2 Па, г ~ 20 мин. Напуск рабочего газа (аргон), осуществляется для того, чтобы прошла очистка в среде тлеющего разряда. Давление в камере Р = 1 Па.

Очистка в среде тлеющего разряда (давление в камере Р = 1 Па, напряжение и= 3 000 В, ток 1=0,05 А, время обработки г ~ 5 мин) происходит в камере для окончательной очистки материала подложки, в результате процесса частицы загрязнений оказываются распыленными по камере.

При прерывании подачи аргона проводят откачку вакуумной системы до давления Р = 5-10-2 Па. Затем происходит удаление частиц из камеры (г ~ 15 мин).

Нанесение проводящего покрытия. Напуск рабочего газа, в качестве которого используется инертный газ аргон, осуществляется до давления Р = 1 Па.

Процесс нанесения покрытия осуществляется подачей напряжения на катод. Давление в камере постоянное

(Р = 1 Па). Напряжение на катоде U = 300 В, ток I = 7 А. Скорость осаждения при данных параметрах 0,02 мкм в мин. Общая толщина наносимого покрытия 0,5 мкм (серебра 0,2 мкм, меди 0,3 мкм). Время нанесения покрытия t ~ 25 мин (уточняется после проведения экспериментов). Для получения равномерного проводящего слоя по всей поверхности подложки необходимо ее вращение вокруг своей оси, для чего вакуумная камера снабжена вакуумным вводом вращательного движения со скоростью вращения 2 об/мин.

Контроль поверхности. Контроль поверхности проводится по адгезии, толщине слоя, электропроводности покрытия на соответствие заданным требованиям.

В настоящее временя произведен предварительный эксперимент, который дал удовлетворительные результаты, хотя технология проведения процесса требует отработки.

Экономический расчет показал, что себестоимость предлагаемого волновода в три раза меньше, чем волновода, изготовленного с применением гальванопластики.

Библиографический список

1. Malone, J. B. The Intelligent Synthesis Environment: A NASA Concept for the Engineering Design of Aerospace Systems in the Twenty-First Century / J. B. Malone, J. M. Housner, E. R. Generazio // Rev. of Progress in QNDE. Vol. 18A. 1999. P. 1-11.

2. А.с. 382314 СССР, M Кл. Н 01р 11/00. Способ изготовления волноводов / Р Вегеле. № 1622548/26-9; заявл. 02.02.71; опубл. 22.05.73. Бюл. № 22.

3. Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб. науч. тр. / под общ. ред. В. В. Стацу-ры; ГУЦМиЗ. Красноярск, 2004. Вып. 10. Ч. 1. 246 с.

4. А. с. 1483532 СССР, Н 01 Р 11/00. Способ изготовления волноводов / Л. Г. Абрамович, В. В. Гинзбург, Г. К. Кондратьева. № 4298235/24-09; заявл. 17.08.87; опубл. 30.05.89, Бюл. № 20.

5. Зверев, А. И. Детонационное напыление покрытий / А. И. Зверев, С. Ю. Шаривкер, Е. А. Астахов. Л.: Судостроение, 1979. 232с.

6. А. с. 1675382 СССР, C 23 C 14/32. Установка для нанесения покрытий взрывом / П. И. Аштраускас. N° 3670318/ 02; заявл. 05.12.83; опубл. 07.09.91, Бюл. № 33.

7. А. с. 1483532 СССР, Н 01Р 11/00. Способ изготовления волновода / Л. Г. Абрамович, В. В. Гинзбург, Г. К. Кондратьев, Ю. А. Седов. № 4298235/24-09; заявл. 17.08.87; опубл. 30.05.89, Бюл. № 20.

8. А. с. 1424081 СССР, Н 01Р 11/00. Способ изготовления волноводов / Б. Б. Козейкин, Б. Г. Грибов, Л. В. Катра-ев, А. И. Фролов, А. С. Чеботарев, Г. П. Гузнов, С. Л. Бугров. № 4200863/24-09; заявл. 26.02.87; опубл. 15.09.88, Бюл. № 34.

9. Вячеславов, П. М. Электролитическое формование / П. М. Вячеславов, Г. А. Волянюк. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. 198 с.

10. А. с. 457353 СССР, МКИ C 23 C 13/10. Устройство для нанесения покрытий в вакууме / В. С. Макеев, В. И. Титов, Ю. В. Чуриков. № 1926321/22-1; заявл. 25.05.73; опубл. 25.07.75, Бюл. № 27.

11. А. с. 1283880 СССР, МКИ H 01 P 11/00. Способ изго- С. В. Цеслив. № 3864023/24-09; заявл. 05.03.85; опубл. товления волноводов / А. И. Дубынин, Г. А. Аксельруд, 15.01.87, Бюл. N° 2.

Ya. I. Bulbik, T. T. Eresko, S. I. Tregubov, I. I. Khomenko

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE METHODS OF FORMATION CONDUCTING THE COATINGS OF INNER SURFACE OF THE WAVEGUIDE

Comparative Analysis of Conductive Coating Fabrication Methods for Inner Surface ofSmall Cross-section Waveguide. This paper concerns a comparative analysis of methods for the fabrication of waveguides at their rectangular small cross-sections designed for a satellite communication. A method of conductive coating fabrication on the carbon fiber-reinforced waveguide’s inner surface is proposed.