СУСПЕНЗИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЯ
COATING SUSPENSION

Изобретение относится к области разработки электротехнических материалов, в частности, к разработке стекломатериалов для функциональных покрытий со специальными электрофизическими свойствами. Эти материалы используются, например, в электровакуумных приборах (ЭВП) и устройствах для снятия статических электрических зарядов.
13
14
8
12
В современных ЭВП (передающих и приемных телевизионных трубках, рентгеновских трубках, ионных и газоразрядных приборах, а также приборах ночного видения) повышение разрешающей способности, увеличение чувствительности и контрастности изображения достигается за счет увеличения рабочих напряжений. При этом за счет вторичной эмиссии электронов на внутренней поверхности изолирующих узлов и деталей из стекла или керамики, имеющих высокое сопротивление (10-10 Ом), появляются статические заряды, приводящие к искажению передаваемого сигнала и, как следствие, к резкому ухудшению качества изображения и снижению работоспособности приборов. Для устранения этого явления внутренняя поверхность стеклянных (керамических) деталей и места сочленения с металлическими фланцами и выводами покрывают слоем антистатического материала, имеющего меньшее сопротивление (10-10 Ом). За счет такой шунтировки происходит стекание статических зарядов и устранение искажения сигнала.
В настоящее время прецизионное приборостроение развивается в направлении расширения функциональных возможностей изделий при работе в жестких условиях эксплуатации - работа при отрицательных температурах (до -60°С), при воздействии вибрационных и ударных нагрузок требует от покрытий высокой адгезионной прочности к подложке (стеклу или керамике).
Известные составы покрытий, как правило, на основе оксидов хрома [2] не удовлетворяют этим требованиям.
Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является суспензия [1] следующего состава, вес.%:
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
40,0-50,0%
H<sub>2</sub>O
32,0- 39,0%
Si(OC<sub>2</sub>H<sub>5</sub>)<sub>4</sub>
15,0-20,4%
Н<sub>3</sub>ВО<sub>3</sub>
1,2-1,5%
Al(NO<sub>3</sub>)<sub>3</sub>·9H<sub>2</sub>O
1,2-1,3%
NaNO<sub>3</sub>
0,4-0,6%
KNO<sub>3</sub>
0,2-0,4%
Данная суспензия используется для получения покрытий, работающих в диапазоне температур от -20°С до +155°С.
10
14
Недостатками прототипа являются: невозможность применения суспензии для получения покрытий, работающих в более широком температурном интервале (от 60°С до +250°С), низкая адгезионная прочность к подложке (стеклу или керамике). Поскольку при понижении рабочей температуры существенно возрастает поверхностное сопротивление (с 10 до 10 Ом), одновременно адгезия покрытия к стеклянной (керамической) поверхности понижается и покрытие отслаивается.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка состава суспензии для получения покрытий для снятия статических электрических зарядов, работающего в диапазоне температур от -60°С до +250°С при сохранении высокой адгезии нанесенного покрытия к поверхности стекла или керамики.
2
2
Известно, что для улучшения эксплуатационных свойств суспензий требуется дополнительное легирование оксидами ZrO, NiO, СеО, СаО и др. [2]. Методами итерации установлено, что в суспензию на основе окиси хрома для реализации технического задания наиболее перспективным является введение окиси никеля[3,4] и окиси кальция [2,3].
Водную суспензию этих компонентов (в виде шпинеля) наносят на внутреннюю поверхность корпуса ЭВП и после соответствующей термообработки получают слой с требуемой величиной электросопротивления.
2
3
2
5
4
3
3
3
3
3
3
Это достигается за счет того, что известная суспензия для получения покрытия, включающая наряду с CrO, водой, а также Si(OCH), НВО, Al(NO), NaNO, KNO, содержит еще NiO и СаО. Соотношение компонентов суспензии следующее:
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
32,5-42,5%
H<sub>2</sub>O
32,0-39,0%
Si(OC<sub>2</sub>H<sub>5</sub>)<sub>4</sub>
15,0-20,4%
Н<sub>3</sub>ВО<sub>3</sub>
1,2-1,5%
Al(NO<sub>3</sub>)<sub>3</sub>·9H<sub>2</sub>O
1,2-1,3%
NaNO<sub>3</sub>
0,4-0,6%
KNO<sub>3</sub>
0,2-0,4%
NiO
3,25-4,25%
СаО
3,25-4,25%
2
3
2
3
Антистатическое покрытие получают из суспензии, в которой в качестве дисперсионной среды используется раствор, включающий нитраты калия, натрия, алюминия, борную кислоту и гидролизованный тетраэтиловый эфир ортокремниевой кислоты, а в качестве наполнителя - шпинель CrO·СаО и CrO·NiO (размер частиц 3-10 мкм). Введение NiO обеспечивает расширение диапазона отрицательных рабочих температур до требуемых значений (-60°С). Но в то же время наблюдается снижение адгезионной прочности. Для повышения последней характеристики в суспензию вводят оксид кальция.
2
2
3
2
Все составляющие дисперсионной среды легко подвергаются термическому разложению с выделением соответствующих окислов и образованием из них высокоглиноземистых стекол С37-1 (система SiO(57,6%), AlO(29,0%), CaO(7,4%), MgO(8,0%), KO(2,0%)), соответствующих составу стеклянной части прибора. При этом окислы хрома, кальция и никеля равномерно распределяются в стекловидной матрице. В таблице 1 приведены конкретные составы предлагаемой суспензии и ее свойства.
2
3
8
12
13
14
Экспериментально установлено, что введение NiO в виде шпинели CrO·NiO, где NiO составляет от 3,25 до 4,25%, обеспечивает расширение диапазона рабочих температур до -60°С, то есть не наблюдается повышения электросопротивления выше допустимых значений 10-10 Ом. При меньшем, чем 3,25% NiO значение сопротивления повышается до недопустимой величины 10-10 Ом. При содержании NiO более 4,25% существенно ухудшается технологичностью процессов синтеза состава и нанесения покрытий.
2
3
8-10
13-14
Введение СаО в виде шпинели CrO·СаО, где СаО составляет от 3,25 до 4,25%, обеспечивает увеличение адгезии нанесенного покрытия к поверхности стекла или керамики, значение адгезии составляет 80-120 МПа. При меньшем, чем 3,25% СаО значение адгезии к поверхности понижается до величины, меньшей 20 МПа. При содержании СаО более 4,25% поверхностное сопротивление возрастает с 10 Ом до 10 Ом.
В ходе экспериментов установлено, что оптимального результата с точки зрения работы при температурах -60°С и получения высокой адгезии можно достигнуть при соотношении СаО:NiO=1:1.
2
5
4
Практически гидролизованный тетраэтиловый эфир ортокремниевой кислоты Si(OCH) готовят путем добавления к 100 мл свежеперегнанного тетраэтилового эфира при интенсивном перемешивании 45 мл этилового спирта, 15 мл воды и 2-3 капель концентрированной азотной кислоты. В 1 г такого раствора содержится 0,186-0,190 г двуокиси кремния.
Покрытие после термообработки при температуре имеет следующий состав, вес.%:
2
SiO - 5,3-8,4
2
3
ВО - 1,3-1,9
2
3
AlO - 0,3-0,4
2
NaO - 0,3-0,5
2
KO - 0,2-0,4
2
3
CrO - 80,3-82,3
NiO - 3,7-4,25
СаО - 3,7-4,25.
Покрытие с оптимальной толщиной 40-60 мкм наносится на поверхность прибора шликерным методом, величина электросопротивления данного покрытия составляет
8
11
10-10 Ом. Толщина покрытия, а, следовательно, и величина сопротивления может регулироваться в требуемых пределах за счет вязкости состава и скорости нанесения.
Величина пробивной напряженности покрытия (прочность покрытия), обеспечивающая стабильность работы прибора, должна быть не менее 1,0 кВ/мм. В табл.1 представлены свойства составов предлагаемой суспензии.
Предложенный состав был опробован при изготовлении стеклянных микроканальных пластин для приборов ночного видения и рентгеновских трубок с высокой разрешающей способностью. При этом покрытие легко наносится на широко используемое высокоглиноземистое стекло С37-1; металлические фланцы (переходы) изготавливаются из ковара 29 НК (29НКД).
Нанесение суспензии производится при помощи специальной вращающейся оправки со скоростью на валу 10-80 м/мин.
После предварительной сушки в сушильном шкафу типа SNOL при температуре 70°С в течение 20-30 мин производится вакуумная термообработка покрытия в печи Tesla при температуре 550°С в течение 1 часа.
После термообработки покрытие имеет прочное сцепление со стеклом и металлом корпуса оболочки прибора (табл.1). Покрытие сплошное, без трещин и сколов. Поверхность покрытия гладкая, пассивная к действию щелочных металлов.
Использование предлагаемого покрытия позволило разработать микроканальные пластины с высокой разрешающей способностью для снятия статических электрических зарядов, работающих в более широком диапазоне рабочих температур (-60°С÷+250°С) и существенно улучшенными стабильными параметрами.
Список литературы:
1. Авторское свидетельство СССР № 845395, Кл. С03С 17/25, С04В 41/06, 1980.
2. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия. М.: Мир, 2000.
3. Температуроустойчивые функциональные покрытия // Труды XVII Совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям, часть I, пленарные доклады. СПб.: 1997.
4. Неорганические и органосиликатные покрытия // Труды 6-го Всесоюзного совещания по жаростойким покрытиям. Л.: Наука, 1975.