Способ нанесения композиционного полимерного покрытия

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ(73) Патентообладатель Гомельское научнопроизводственное объединение Элорма(57) 1. Способ нанесения композиционного полимерного покрытия путем осаждения летучих частиц наполнителя и продуктов электронно-лучевого диспергирования полимера на поверхности подложки, отличающийся тем, что осаждение наполнителя, в качестве которого используют нанодисперсные порошки алмаза или оксида алюминия, осуществляют путем их зарядки потоком электронов с энергией 1,0-2,5 кэВ и перемещения от зоны зарядки до подложки с помощью электрического поля, создаваемого между подложкой и зоной зарядки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно регулируют состав композиционного полимерного покрытия путем изменения напряженности электрического поля между зоной зарядки и поверхностью подложки. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что зарядка наночастиц наполнителя и диспергирование полимера проводят одновременно с помощью потока электронов с энергией 1,0-2,5 кэВ при его воздействии на мишень,состоящую из порошка полимера и наночастиц наполнителя.(56) 1. Красовский , Толстопятов Е.М. Получение тонких пленок распылением полимеров в вакууме/Под ред. В.А. Белого. - Мн., 1989. - С. 112-117. 2.1452194 А 1, МПК С 23 С 14/00, 1990. 3.1123745 А, МПК В 05 3/06, 1984. 4.4629547, МПК С 23 С 14/12, 1986. Изобретение относится к технологии получения покрытий сложного состава на основе полимеров в вакууме и может быть использовано в приборо- и машиностроении, радио- и электротехнике и других отраслях промышленности при создании антифрикционных, защитных, диэлектрических элементов. Известен способ получения композиционного полимерного покрытия, заключающийся в создании газовой фазы путем распыления мишени, состоящей из смеси требуемых компонент покрытия 1, с. 113. Однако данный способ может быть реализован в случае, когда отдельные компоненты смеси имеют близкие теплофизические характеристики (температуру испарения, равновесное давление паров и другие). Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков является способ получения композиционного полимерного покрытия, в котором сложная газовая фаза создается с помощью отдельных источников, в которых образуются летучие продукты компонент композиционного покрытия 2. Для генерации газовой фазы могут быть использованы резистивные и электронно-лучевые испарители и другие устройства. При использовании данного способа путем выбора оптимального режима испарения отдельных компонент и диспергирования полимера предоставляется возможность формирования покрытия заданного 3654 1 состава и из более широкого круга материалов, являющихся наполнителем полимерной матрицы. Вместе с тем и данный способ не является универсальным, в частности, нельзя нанести композиционное покрытие,содержащее наночастицы алмаза, оксидов, т.к. они имеют высокую термостойкость и при их испарении протекают процессы диссоциации, образуется расплавленная ванна, испарение атомов из которой и последующее осаждение не всегда приводит к образованию дисперсных частиц. При нагреве частиц алмаза протекают процессы аморфизации и графитизации, что сказывается на свойствах формируемых композиционных материалов. Основная задача, решаемая предлагаемым техническим решением, - получение тонких полимерных композиционных покрытий, содержащих равномерно распределенные нанодисперсные частицы алмаза или оксида алюминия, путем осаждения летучих частиц из газовой фазы. При этом наночастицы в процессе осаждения не должны подвергаться разложению и изменять свое структурное состояние. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что композиционное полимерное покрытие наносят из потоков, один из которых формируется из летучих проектов электронно-лучевого диспергирования полимера, а второй представляет собой наночастицы наполнителя, перемещение которых осуществляют путем зарядки потоком электронов с энергией 1,0-2,5 кэВ и создания электрического поля между подложкой и зоной зарядки. Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются операции по осаждению наночастиц наполнителя, а именно зарядка частиц потоком электронов с энергией 1,0-2,5 кэВ и перемещение их с помощью электрического поля. При этом путем изменения напряженности электрического поля предоставляется возможность регулировать скорость осаждения наночастиц, и, соответственно, состав композиционного полимерного покрытия. С целью упрощения технологии в соответствии с предлагаемым техническим решением возможно проведение зарядки наночастиц и диспергирования полимера одновременно с помощью одного потока электронов с энергией 1,0-2,5 кэВ при его воздействии на мишень, состоящую из порошка полимера и наночастиц. При таком способе образования летучих продуктов наполнителя, в качестве которого используются наночастицы алмаза, оксида металла, не происходит их значительный нагрев, и, следовательно, изменения химического состава, морфологического состояния. При этом энергетические затраты незначительны и для его реализации не требуется применение сложного оборудования. Указанный диапазон энергии электронов Е 1,02,5 кэВ, использующийся при зарядке, является оптимальным. При Е 1,0 кэВ зарядка частиц малоэффективна,т.к. в области малых энергий электронов коэффициент вторичной электронной эмиссии 1. При таких значениях энергии нельзя получить поток наночастиц необходимой плотности. При Е 2,5 кэВ установлено разрушение материала подложки (керамики, стекла), на которой находятся наночастицы, что вызывает неравномерный их унос с поверхности и загрязнение образующегося покрытия. При этом методом атомно-силовой микроскопии установлено, что при Е 2,5 кэВ происходит осаждение не только отдельных наночастиц, но и их ассоциаций, состоящих из десятков отдельных частиц, что отрицательно сказывается на свойствах образующихся композиционных покрытий. Увеличение энергии электронов (Е 2,5 кэВ) при воздействии одного потока на мишень, состоящую из порошка полимера и наночастиц, повышает нестабильность работы электронной пушки (появляются электрические разряды) из-за значительного падения вакуума при диспергировании полимера. При такой схеме нанесения покрытия при Е 1,0 кэВ напыление наночастиц осуществляется с относительно низкой скоростью. Нанесение композиционного покрытия может быть осуществлено с помощью устройства, состоящего из двух электронных пушек с поворотом пучка на 180 с двумя тиглями. В один из тиглей помещается полимер, в другой - наночастицы. Диспергирование полимера и зарядка наночастиц осуществляется отдельными потоками электронов, генерируемых двумя пушками. Возможно использование одной электронной пушки, выполненной с возможностью сканирования пушки по составной мишени, одна часть которой содержит порошковый полимер, вторая - наночастицы. При сканировании электронного луча воздействию подвергаются последовательно полимер, затем наночастицы. Использование порошкового полимера предпочтительно, т.к. его теплопроводность ниже и достигаются более высокие скорости диспергирования. Если мишень изготавливается из композиционного материала на основе порошка полимера, содержащего равномерно распределенные частицы, то и в этом случае возможно применение одной электронной пушки, позволяющей получать поток электронов с энергией 1,0-2,5 кэВ. На расстоянии 80-120 мм от мишени размещали подложку из стали ШХ 15, электрически соединенную с источником внешнего положительного относительно земли (мишени с наночастицами) потенциала. Величина потенциала регулировалась в пределах от 0 до 150 В. С помощью данного устройства производилось нанесение композиционных покрытий. В качестве полимерной матрицы использовали политетрафторэтилен, полиэтилен. В качестве наполнителя - наночастицы алмаза (размер 2-6 нм), оксида алюминия (размер 5-30 нм). Толщина покрытия составляла 0,3 мкм. Морфологию образующихся покрытий оценивали с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), качество покрытий - путем измерения их триботехнических и диэлектрических свойств. С целью определения оптимальных режимов зарядки наночастиц энергия электронов, которыми производилась зарядка с наночастицами, изменялась от 0,5 до 3,0 кэВ. 2 3654 1 Результаты проведенных измерений представлены в таблице. Режимы зарядки наночастиц и свойства покрытий 2 без наполнителей наночастицы алмаза Коэффициент трения покрытия после 400 циклов 4 0,62 0,61 0,42 0,2 0,28 0,8 Результаты АСМ 5 покрытие однородное покрытие однородное покрытие однородное покрытие однородное покрытие однородное образуются ассоциаты,наночастицы покрытие однородное покрытие однородное покрытие однородное покрытие однородное покрытие однородное образуются ассоциаты,наночастицы покрытие однородное покрытие однородное покрытие однородное покрытие однородное образуются ассоциаты При изменении потенциала, подаваемого на подложку, от 0 до 100 В содержание наночастиц в покрытии, оцениваемое по изменению диэлектрической проницаемости, изменилось от 1 до 8 . При подаче на подложку отрицательного потенциала (-29 В) в пленке не обнаружено наличие наночастиц. Таким образом, путем изменения напряженности электрического поля, создаваемого между подложкой и зоной зарядки, предоставляется возможность регулировать состав композиционного покрытия. При формировании покрытия с помощью одного потока электронов с энергией 1,0-2,5 кэВ при его воздействии на мишень, состоящего из порошка полимера с равномерно распределенными наночастицами алмаза или оксида алюминия, получены данные, совпадающие или достаточно близкие к приведенным в таблице. Анализ полученных результатов показывает, что оптимальными значениями энергии электронов при зарядке наночастиц являются 1,0-2,5 кэВ. При значениях Е 1,0 не обнаружены изменения в диэлектрических и триботехнических свойствах покрытия, что можно объяснить крайне низким содержанием в их объеме наночастиц наполнителя. При Е 2,5 кэВ методом АСМ установлено образование скоплений (ассоциатов) наночастиц, которые, по-видимому,вызывают резкое увеличение коэффициента трения. При оптимальных режимах зарядки формируются однородные по составу и толщине покрытия. Таким образом, предлагаемый способ позволяет формировать качественные композиционные покрытия на основе полимера и наночастиц. При этом наночастицы сохраняют свои структуру и свойства. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.