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, в частности №1482246 кл. С23С14/32, 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 ступенчатого профиля и применения промежуточных кольцевых электродов, 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 и направляющее сопло, и взрывающуюся фольгу, расположенную на торце механически прочного диэлектрического цилиндра, взрывающаяся фольга выполнена в виде фигурной шайбы со сквозным отверстием в центре, имеющей ступенчатый профиль в радиальном сечении, при этом ступеньки расположены симметрично относительно диаметра, а их высота уменьшается от центра к периферии, в области образования ступенек взрывающейся фольги имеются концентрически расположенные промежуточные кольцевые электроды, выполненные за одно целое и из того же металла, круглого либо прямоугольного поперечного сечения с двусторонними фасками, причем их высота больше, чем высота каждой из ступенек, при этом поверхность механически прочного диэлектрического цилиндра повторяет сопряженную поверхность взрывающейся фольги.
Применение взрывающейся фольги, выполненной в виде фигурной шайбы со сквозным отверстием в центре, имеющей ступенчатый профиль в радиальном сечении, при этом ступеньки расположены симметрично относительно диаметра, а их высота 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 за одно целое и из того же металла, что и взрывающаяся фольга, круглого либо прямоугольного поперечного сечения с двусторонними фасками, высота которых больше, чем толщина взрывающейся фольги, 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 центрального и кольцевых электродов фаски обеспечивает условие невозможности возникновения периферийных дуг электрического разряда непосредственно между электродами, т.е. минуя взрывающуюся фольгу. Установленный соосно диэлектрическому цилиндру центральный высоковольтный электрод, обеспечивает надежный электрический контакт со взрывающейся фольгой. Торец диэлектрического цилиндра исполняет роль абсолютно жесткой стенки. Расположение врывающейся фольги на торце диэлектрического цилиндра, выполненного с профилем сопряженной поверхности взрывающейся фольги, обеспечивает условие создания самоприжатого разряда, при этом 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 (центральная и периферийная часть) конструкции устройства для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, выполненной в виде фигурной шайбы, имеющей ступенчатый профиль в радиальном сечении, при этом ступеньки расположены симметрично относительно диаметра, а их высота уменьшается от центра к периферии.
Взрывающаяся фольга 1 изготавливается в виде фигурной шайбы, имеющей ступенчатый профиль в радиальном сечении, при этом ступеньки расположены симметрично относительно диаметра, а их высота уменьшается от центра к периферии, (смотреть выноску). Кроме этого, в области образования ступенек взрывающейся фольги 1 расположены промежуточные кольцевые электроды 2, выполненные за одно целое и из того же металла, круглого либо прямоугольного поперечного сечения с двусторонними фасками. Взрывающаяся фольга 1 располагается на торце механически прочного диэлектрического цилиндра 3. Профиль торца диэлектрического цилиндра 3 повторяет профиль сопряженной поверхности взрывающейся фольги 1. Центральный высоковольтный электрод 4 установлен в соосном отверстии диэлектрического цилиндра 3 и соединен с центральной частью взрывающейся фольги 1, образуя надежный электрический контакт. Кольцевой высоковольтный электрод 5 расположен соосно на боковой поверхности диэлектрического цилиндра 3, образуя надежный электрический контакт с периферийной частью взрывающейся фольги 1 посредством прижимного действия сопряженных поверхностей сопла 6 и кольцевого высоковольтного электрода 5. Диэлектрический цилиндр 3 является изолятором между центральным высоковольтным электродом 4 и кольцевым высоковольтным электродом 5.
Устройство работает следующим образом.
В качества источника высокого напряжения используется генератор импульсных токов конденсаторного типа. При подаче высокого напряжения на центральный высоковольтный электрод 4 и кольцевой высоковольтный электрод 5 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, кольцевые зоны, находящиеся между соседними электродами и обладающие определенным омическим сопротивлением, будут соединены последовательно. Таким образом, эквивалентная электрическая схема представляется как последовательное соединение электрических сопротивлений, на которые подается высокое напряжение. В силу симметричного распределения тока осуществляется квазиоднородный ее 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.