Адгезионная прочность композиционного покрытия на основе полимерной матрицы натрий-карбоксиметилцеллюлозы с металлическим дисперсным наполнителем

Пластическая деформация производилась в интервале температур 800-1110 °С и диапазоне скоростей деформации от 2 до 14 мм/мин. Из полученных образцов были изготовлены СЭ и измерены их характеристики. Измерения спектральной чувствительности показали, что происходит уменьшение диффузионной длины в базе прибора. Это связано с увеличением плотности дислокаций и высокой начальной скоростью охлаждения образцов (около 50 град/мин), приводящей к ухудшению структуры материала [ 8 ].

В результате проведенных исследований с помощью изменения состава сырья для выращивания кристаллов, специальных приемов технологии выращивания и послеростовых обработок получен профилированный кремний с различной дефектностью.

Литература

1. Онищук С.А. Использование профилированного кремния в солнечных батареях // Тр. Всесоюз. науч.-техн. общества энергетиков и электротехников. Краснодар, 1990. С. 98-105.

2. Онищук С.А. Неоднородность свойств кристаллов профилированного кремния // Тез. докл. 8 Всесоюз. конф. по росту кристаллов. Харьков, 1992. С. 463-464.

Адгезионная прочность коррозионно-устойчивого покрытия является одной из его важнейших механических характеристик. Основными факторами, под действием которых может произойти разрушение адгезионных соединений, являются температура, механическая нагрузка и воздействие жидких агрессивных сред. Термическое разрушение адгезионных соединений, наступающее вследствие физических превращений, относится к редким явлениям [1]. Чаще имеет место разрушение адгезионных соединений как следствие механических воздействий. Слабым местом адгезионного соединения служит зона контакта покрытия с металлом, на который оно наносится. Разработаны различные методы измерения адгезионной прочности. Помимо проблем, связанных с множественностью методов испытания, сложности возникают при интерпретации результатов, поскольку разруше-

3. Малышева С.В., Онищук С.А. Механические свойства кристаллов профилированного кремния // Кристаллизация и свойства кристаллов: Межвуз. сб. Новочеркасск, 1993. С. 114-117.

4. Кондратьева Л.А., Лозовский В.Н., Ластушкина О.В., Масенко Б.П., Политова Н.Ф., Онищук С.А., Шебзухов ДА. Использование отходов полупроводникового кремния в производстве наземных ФЭП // Гелиотехника. 1990. № 2. С. 40-43.

5. Василенко Н.Д., Городниченко О.К., Грек И.О., Онищук С.А., Спектор К.М. Исследование профилированного кремния, легированного РЗЭ, в качестве материала для СЭ // Фотоэлектрические явления в полупроводниках: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф.: Ташкент, 1989. С. 438-439.

6. Богатов Н.М., Масенко Б.П., Онищук С.А. Двойниковые структуры в профилированном кремнии // Материалы Всесоюз. совещания по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применению в народном хозяйстве. Л., 1989. С. 199-201.

7. Богатов Н.М., Малышева С.В., Онищук С.А. Использование высокотемпературного отжига профилированного кремния для повышения эффективности солнечных элементов // Изв. АН СССР. Сер. физическая 1994. Т. 58. № 9. С. 138-143.

8. Масенко Б.П., Онищук С.А. Применение перепрофилиро-ваного кремния в производстве солнечных элементов // Перспективы научно-технического и экономического развития МГО КВАНТЭМП: Тез. докл. науч.-техн. конф. М., 1990. С. 176-177.

2007 г.

ние может иметь не адгезионный, а когезионный характер. Можно сказать, что с практической точки зрения не имеет значения, является ли разрушение адгезионным или когезионным, так как при испытаниях определяется прочность самого слабого звена [2].

Цель работы - изучить влияние исходных компонентов композиционного покрытия с полимерной матрицей натрий-карбоксиметилцеллюлозой (№-КМЦ, ТУ 6-55-40-96), пластифицированной глицерином, наполненной дисперсным порошком алюминия (АСД-1, ТУ 48-5-226-87) на величину адгезионной прочности состава к стальной поверхности (марка 08КП) и выявить основные закономерности механизма адгезии. Поставленная задача решалась с применением методов математического планирования эксперимента, полученные данные обрабатывались в системе

Кубанский государственный университет, г. Краснодар 10 мая

УДК 678

АДГЕЗИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЫ НАТРИЙ-КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ДИСПЕРСНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ

© 2007 г. Н.М. Антонова

Mathcad 8 PRO. Микроструктура поверхности покрытия, сформированного на стальной подложке, изучалась с помощью неразрушающих методов современной растровой электронной микроскопии (РЭМ).

Исследования проводили, используя ортогональный план второго порядка [3]. Количество исследуемых факторов к = 3, в качестве факторов варьирования были выбраны: концентрация водного раствора Na-КМЦ (пределы варьирования 1,5-3,0 %); содержание порошка Al (от 0 до 5 г), содержание пластификатора - глицерина (от 0 до 5 г). Металлический порошок и пластификатор добавлялись сверх 100 г водного раствора Na-КМЦ, Хь Х2, Х3 - значения переменных факторов - в безразмерном масштабе [4]. Число точек плана N = 18. Откликом в эксперименте являлась адгезионная прочность состава к стальной поверхности, подготовка образцов на адгезию осуществлялась по ГОСТ 8832-76, величина адгезионной прочности определялась методом решетчатых надрезов по ГОСТ 15140-78 и оценивалась по пятибалльной шкале, где 1 балл - наилучшая, 5 баллов - неудовлетворительная адгезионная прочность.

В результате статистической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии (1), адекватно описывающее влияние исследуемых факторов в безразмерном масштабе на величину адгезионной прочности (Гадгезии) композиционного покрытия

Yадгезии = 2,83 - 1,13X 2X 3

(дисперсия воспроизводимости Sy2 = 0,33; критерий Фишера ^расч. = 6,42).

На рис. 1 представлено влияние факторов варьирования на величину адгезионной прочности покрытия.

Рис. 1. Влияние содержания А1 и глицерина на показатель адгезионной прочности покрытия

Сопоставление экспериментальных данных и уравнения регрессии показывает, что максимальный показатель адгезионной прочности в 1 балл достигается у покрытий, содержащих порошка алюминия и глицерина, соответственно, по 4,26 г и 0,74 г. Полимерный компонент Ма-КМЦ на адгезионную прочность практически не влияет. С увеличением количества алюминия от 2,5 до 5,0 г при высоком содержании пластификатора (5 г) и с увеличением содержания

пластификатора от 2,5 до 5,0 г (при содержании А1 = 5 г) показатель адгезионной прочности улучшается от 2,83 до 1 балла.

На величину адгезионной прочности могут влиять следующие факторы:

1. Диффузия на границе контакта стальная поверхность (субстрат) - исследуемый композит (адге-зив). Независимо от ее рода - диффузии или самодиффузии - в исследуемой системе с порошком алюминия окисная пленка на границах частиц является эффективным барьером для диффузии [5, 6].

2. Донорно-акцепторная связь, как разновидность химической связи, и возникающий благодаря ей двойной электрический слой препятствуют отрыву [6]. Однако в условиях формирования опытных образцов покрытия (20 °С), такая связь отсутствует, так как компоненты покрытия и поверхности химически инертны друг к другу в этих условиях.

3. Межмолекулярные, или Ван-дер-Ваальсовы связи. С учетом первых двух соображений их следует считать преобладающими.

На формирование покрытия и его механические характеристики большое влияние оказывают форма и размеры частиц. Гранулометрический состав порошка алюминия определяли на электростатическом анализаторе ЭЛСА-2 путем разделения порошка на ряд фракций в соответствии с методикой М-252-73 с точностью определения содержания фракций 3 % при уровне значимости р = 0,05 [7]. Исследования показали, что содержание частиц А1 размером менее 40 мкм достигает 94 %, средние размеры частиц равны 26 мкм. В процессе формирования покрытия из жидкой среды происходит заполнение шероховатой поверхности субстрата - стальной поверхности, площадь фактического контакта увеличивается. Топология защищаемой металлической поверхности имеет сложный микрорельеф (впадины, выступы). Для исследуемой поверхности - стали 08 КП величина Ra - среднеарифметическое отклонение от эталонной линии находится в пределах от 0,8 до 3,2 мкм, а Rz - расстояние между впадиной и выступом достигает 10 мкм, имеет место макрошероховатость. Величина выступов становится соизмеримой с размерами мелкой фракции алюминиевого порошка АСД-1, площадь контакта растет и приводит к увеличению адгезионной прочности. Адгезия зависит от размеров частиц и шероховатости поверхности лишь в случае преобладания молекулярных сил. Исследовать методами электронной микроскопии микрослой контакта «сталь - покрытие» не представлялось технически возможным, так как из-за малых, по сравнению со сталью, прочностных характеристик композита, при изготовлении поперечного среза сталь - покрытие необратимо разрушается структура композиционного покрытия. Согласно литературным источникам, вязкие растворы №-КМЦ представляют собой гель-зольные системы, в которых преобладает явление коагуляции частиц [8, 9]. Поэтому с целью выяснения, какой характер взаимодействия частиц алюминия преобладает - коагуляции или диссипации - использовались косвенные методы.

Для этого было произведено электронно-микроскопическое исследование поверхности покрытия с алюминием, сформированного на фторопластовой и стальной подложках. Результаты анализа (рис. 2, 3), показали, что частицы мелкой фракции образуют коагулянты на поверхности как фторопласта, так и стали. На поверхности покрытия, снятого со стали, видны выемки, оставшиеся от оторванных сопряженных частиц, размеры которых находятся в пределах от 0,5 до 16 мкм. Выемки расположены в зонах коагуляции частиц. На поверхности, сформированной на фторопласте, такие выемки отсутствуют.

Порошок АСД-1, используемый при изготовлении покрытия, имеет форму, близкую к сферической, и разброс по размерам от 0 до 40 мкм. Однородность распределения частиц по поверхности оценивалась количественно построением гистограммы, на которой каждая фракция представлялась в виде прямоугольника с основанием, соответствующим выбранному интервалу размеров частиц, и высотой, указывающей относительное содержание их в порошке (рис. 2, 3). Здесь N - общее число просчитанных частиц,

АМ - число частиц, попавшее в интервал диаметров. Из гистограмм видно, что процесс коагуляции частиц алюминиевого порошка на стальной поверхности идет активнее. Если на поверхности, сформированной на фторопласте, количество частиц размером от 0 до 2 мкм достигает 57,88 %, то на стали их 32,6 %. Остальные частицы образуют совместно более крупные коагулянты, поэтому относительное количество таких частиц на поверхности, граничащей со сталью, возрастает по сравнению с поверхностью, сформированной на фторопласте. Наибольшее относительное количество частиц - до 89,88 и 78,9 % (покрытие сформировано на фторопласте и стали соответственно) приходится на интервал от 0 до 8 мкм. Поэтому вероятность заполнения неровностей стальной поверхности такими частицами достаточно велика, причем адгезия частиц размером менее 10 мкм значительно превышает адгезию более крупных частиц [10].

В процессе седиментации и заполнения впадин мелкие частицы образуют коагулянты, площадь контакта которых с поверхностью превышает площадь контакта исходных частиц.

АМ N 100 -

80 -

60 -

40 -

20 -

0 -

0 2 8 16 24 32 40 й, мкм

Рис. 2. Поверхность покрытия, сформированного на фторопластовой подложке (х250), и гистограмма распределения по размерам частиц порошка АСД-1

57,88

32

8 1,28 0,64 0,2

Рис. 3. Поверхность покрытия, сформированного на стали (х250), и гистограмма распределения

по размерам частиц порошка АСД-1

Такие коагулянты, принадлежащие одновременно и адгезиву, и субстрату, увеличивают адгезию. При отрыве покрытия от стальной поверхности эти частицы остаются на стальной поверхности (выемки, видимые на фотографии рис. 3). Таким образом, наличие металлических частиц в составе покрытия является основным фактором, улучшающим адгезию.

Пластификатор выполняет роль компонента, снижающего внутренние напряжения в композите и на границе раздела поверхности и покрытия. Сообщая покрытию эластичность, снижая внутренние напряжения, пластификаторы повышают адгезионную прочность покрытий [6]. Исследование показало, что наилучшая адгезия достигается при близких количествах пластификатора и металлического порошка, т. е. в пределах их совместимости.

Согласно эмпирическому правилу Дебройна, адгезия за счет молекулярных сил максимальна в случае контакта двух поверхностей, молекулы которых имеют одинаковую полярность. Водный раствор Ма-КМЦ имеет нейтральный рН среды 7-8. Знак заряда поверхности оксидной пленки на частицах А1 определяется областью рН среды и в нейтральных средах отсутствует [9]. Оксидная пленка на стальной поверхности нейтральна. Поэтому взаимодействие реализуется, в основном, за счет контакта металлических частиц и металлической поверхности.

Выводы

На основании проведенного анализа можно сделать заключение, что основным фактором, улучшающим адгезионную прочность, является наличие металлических частиц в составе покрытия. Полимер Ма-КМЦ на адгезию практически не влияет. Пласти-

фикатор способствует повышению адгезионной прочности за счет снижения внутренних напряжений в объеме композита и на границе покрытия с подложкой. Наилучшая адгезия достигается при близких количествах пластификатора и порошка алюминия, т.е. в пределах их совместимости.

Литература

1. Белый В.А. Металлополимерные материалы и изделия. М., 1979.

2. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы: Механика и технология. Техносфера. М., 2004.

3. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М., 1985.

4. Антонова Н.М., Аксенова О.В. Использование метода

математического планирования эксперимента при получении оптимальных физико-механических характеристик полимерных металлоорганических пленочных объектов // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. № 1. С. 57-59.

5. Хасс Дж., Франкомб М.Х., Гофман Р. У. Физика тонких

пленок. Современное состояние исследований и технические применения. М., 1977.

6. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. М., 1977.

7. М-252-73. Определение гранулометрического состава продуктов на установке ЭЛСА-2. НИХТИ.

8. Петропавловский Г.А. Гидрофильные частично замещенные эфиры целлюлозы и их модификация путем химического сшивания. Л., 1988.

9. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М., 1982.

10. Зимон А.Д. Что такое адгезия. М., 1983.

Каменский институт (филиал) Южно-Российского государственного

технического университета (Новочеркасского политехнического института) 24 мая 2007 г.

УДК 539.1

ИССЛЕДОВАНИЕ КРАЕВОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ЭФФЕКТА ПРИ ЗОННОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

© 2007 г. В.Н. Лозовский, С.В. Лозовский, С.Н. Чеботарев

Процесс зонной сублимационной перекристаллизации (ЗСП) может служить основой для методов получения эпитаксиальных и поликристаллических слоев, а также метода управляемого термотравления. В этом качестве ЗСП обладает рядом достоинств [1]. Наряду с ними методикам ЗСП присущи и ограничения, связанные, в частности, с наличием краевых эффектов. В настоящей работе анализируется влияние температурного краевого эффекта, проявляющегося в

диапазоне варьирования реальных геометрических параметров плоскопараллельной композиции «сублимирующийся источник паров - подложка»

Рассмотрим плоскопараллельную ростовую зону, удовлетворяющую стандартным условиям ЗСП:

1) ^ << 1; 2) ^>> 1 (рис. 1), где l - толщина

ростовой зоны, Я - радиус источника (подложки), X 0 - длина свободного пробега испаренных атомов