Разработка технологии нанесения вакуумных многослойных светопоглощающих покрытий на оптические детали тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Самсонов, Кирилл Николаевич

• Самсонов, Кирилл Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Самсонов, Кирилл Николаевич

Введение

Глава 1 - Анализ методов нанесения светопоглощающих покрытий

1.1 Светопоглощающие покрытия.

1.1.1 Технические требования к светопоглощающим покрытиям.

1.1.2 Материалы, используемые для получения светопоглощающих покрытий, и область их применения.

1.2 Химические и химико-физические методы нанесения светопоглощающих покрытий.

1.2.1 Химическое оксидирование.

1.2.2 Анодирование.

1.2.3 Черное никелирование.,.

1.2.4 Атомно-слоевое осаждение (молекулярное наслаивание).

1.3 Физические методы нанесения светопоглощающих покрытий.

1.3.1 Термическое испарение низковакуумного конденсата металла

1.3.2 Термическое испарение композиционных материалов.

1.3.3 Электронно-лучевое испарение металлов и диэлектриков.

1.3.4 Ионно-лучевое распыление металлов и диэлектриков.

1.3.5 Обработка материалов лазерным излучением.

1.4 Сравнительные свойства покрытий.

1.5 Выводы и постановка задач исследования.

Глава 2 - Разработка и оптимизация конструкций вакуумных светопоглощающих покрытий

2.1 Определение начальных условий расчета конструкций светопоглощающих покрытий и этапов его проведения.

2.2 Описание матричного метода расчета конструкций светопоглощающих покрытий.

2.3 Расчет спектральных энергетических коэффициентов отражения и пропускания светопоглощающих покрытий для различных углов падения излучения.

2.4 Оптимизация покрытий по оптической толщине.

2.5 Определение теоретической зависимости энергетических коэффициентов светопоглощающих покрытий от материала подложки.

2.6 Анализ спектрального сдвига кривой энергетического коэффициента отражения, в зависимости от различных углов падения излучения.

2.7 Оценка возможности использования в конструкции покрытий различных поглощающих материалов.

2.8 Выводы.

Глава 3 - Исследование влияния технологических параметров процесса нанесения на оптические и эксплуатационные свойства светопоглощающих покрытий

3.1 Методика нанесения светопоглощающих покрытий.

3.1.1 Применяемое оборудование.

3.1.2 Контроль технологических параметров процесса нанесения светопоглощающих покрытий.

3.1.3 Подготовка поверхности подложек и пленкообразующих материалов.

3.2 Методика исследования светопоглощающих покрытий.

3.2.1 Методы исследования оптических характеристик покрытий.

3.2.2 Методы исследования морфологии поверхности и покрытий.

3.2.3 Методы исследования механической прочности покрытий.

3.2.4 Определение условий, параметров и режимов технологического процесса нанесения покрытий.

3.3 Исследование оптических характеристик светопоглощающих покрытий на подложках из различных материалов.

3.3.1 Влияние подготовки поверхности подложек на оптические характеристики светопоглощающих покрытий.

3.3.2 Влияние технологических факторов на оптические характеристики светопоглощающих покрытий.

3.4 Анализ степени влияния технологических режимов на эксплуатационные свойства покрытий.

3.5 Изучение теплофизических свойств светопоглощающих покрытий.

3.6 Анализ результатов исследований.

Глава 4 - Разработка и внедрение технологического процесса нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из различных материалов

4.1 Модернизация подколпачной арматуры вакуумной камеры.

4.2 Методика подготовки поверхности подложек и испаряемых материалов.

4.3 Контроль выходных параметров покрытий.

4.3.1 Расчет параметров фотометрического контроля для нанесения слоев диэлектриков.

4.3.2 Расчет параметров кварцевого контроля для нанесения слоев металла.

4.4 Определение оптимальных режимов технологического процесса нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из различных материалов.

4.5 Разработка технологической документации для нанесения светопоглощающих покрытий методом электронно-лучевого испарения материалов в вакууме.

4.6 Применение деталей с разработанным светопоглощающим покрытием в составе приборов ориентации и астрокоррекции.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии нанесения вакуумных многослойных светопоглощающих покрытий на оптические детали»

В настоящее время, в отечественном и зарубежном приборостроении разрабатывается широкий класс космических приборов, применяемых на спутниках связи и космических станциях, для определения собственных координат и ориентации космического аппарата в пространстве. Речь идет о датчиках горизонта земли, звездных и солнечных датчиках. В качестве первичного канала приема информации в данных приборах используется оптический канал, который должен обеспечивать: высокую чувствительность пеленгации звезд, солнца или земли, в зависимости от типа прибора; высокую контрастность объекта с фоном; хорошую разрешающую способность; стабильность работы во времени (на протяжении всей жизни космического аппарата); низкий уровень шумов, вносящих существенные затруднения в алгоритм обработки сигнала.

Существенное воздействие на уровень шумов в приборах, а также, качество получаемого изображения оказывают боковые засветки, которые возникают вследствие попадания в оптическую систему излучения под большими углами, выходящими за пределы поля зрения. Многократное переотражение данного излучения от боковых поверхностей оптических элементов объективов приводит к фоновой засветке светочувствительной приемной матрицы приборов. Это приводит к снижению разрешающей способности матрицы, что влечет дополнительную нагрузку на фильтрацию аддитивной смеси полезного сигнала и помехи и увеличивает суммарное время обработки информации. В работе [1] подробно изложены методы фильтрации сигналов в оптико-электронных приборах (ОЭП).

Для борьбы с боковыми помехами ОЭП видимого диапазона (в основном это звездные приборы), в оптическом приборостроении используются специальные светозащитные бленды, предназначенные для снижения яркости рассеянного света до значения, меньшего яркости фоновых помех, а также подавления возможных бликов от этих помех. Одним из основных параметров бленды является коэффициент ослабления к0сл отношение освещенности от боковой помехи на входе бленды к освещенности, создаваемой рассеянным светом на ее выходе [2]. На практике применяются различные конструкции бленд - круговые, двойные, кольцевые, сотовые. Степень подавления оптических помех напрямую связана с поглощающими свойствами внутренних рабочих поверхностей бленд, покрытых специальными покрытиями.

Существующие типы покрытий отличаются в зависимости от материала и химико-физических свойств поверхности, на которую они наносятся. Данные покрытия относятся к виду светопоглощающих покрытий и занимают особое место в технологии оптического приборостроения. Основными требованиями, предъявляемыми к таким покрытиям для приборов космических аппаратов, являются: обеспечение заданного коэффициента отражения и коэффициента яркости в рабочем диапазоне длин волн; обеспечение механической прочности и стойкости к воздействию космической радиации для заданного срока эксплуатации.

На сегодняшний день для получения светопоглощающих покрытий применяются различные методы, в массе своей основанные на проведении химических реакций на поверхности деталей, входящих в состав светозащитных бленд. В ходе данных реакций происходит изменение приповерхностной структуры металла с образованием новых химических соединений. В результате обрабатываемая металлическая поверхность приобретает оттенки черного цвета. Данные методы варьируются в зависимости от материала подложки и вида поверхности (шлифованная, полированная). Практика применения таких покрытий имеет ряд преимуществ и недостатков. В качестве основного преимущества можно выделить возможность обработки поверхностей сложных форм. Кроме этого, оборудование для получения данных покрытий имеет относительно низкую стоимость. Серьезным недостатком является применение кислот и щелочей для осуществления химических реакций, оказывающих воздействие на здоровье обслуживающего персонала и на экологию окружающей среды. В некоторых случаях для повышения механической прочности покрытий применяются дополнительные методы обработки, что существенно увеличивает технологический цикл производства деталей и снижает производительность процесса. Стоит отметить, что известные химические методы не позволяют свободно управлять в широких приделах параметрами покрытий, такими как коэффициенты отражения и яркости, адгезия и другими.

Задача технологического процесса нанесения светопоглощающего покрытия на детали светозащитных бленд состоит в изменении оптических характеристик рабочих поверхностей - снижении коэффициента отражения и коэффициента яркости в заданной области спектра при обеспечении высокой механической прочности и радиационной стойкости покрытия. Процесс должен быть максимально управляемым с точки зрения достижения заданных характеристик покрытия, а его вредное воздействие на персонал и окружающую среду должно быть минимальным.

Актуальность работы вызвана постоянно растущими требованиями к оптическим и механическим характеристикам светопоглощающих покрытий и постоянно увеличивающейся номенклатурой приборов, в которых они применяются. Вместе с тем, необходимо решить вопрос повышения качества покрытия и производительности технологического процесса, при снижении вредного воздействия на человека и окружающую среду.

Особенно стоит отметить вопрос о разработке технологического процесса нанесения светопоглощающего покрытия, который позволил бы использовать подложки из различных материалов (сталь, алюминий, никель, стекло), с различными видами поверхностей (шлифованная, полированная).

Актуальность данной работы определяется необходимостью разработки принципиально новой эффективной технологии получения светопоглощающих покрытий на подложках из металла и стекла, с применением современного высокотехнологичного оборудования.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые разработан новый технологический процесс нанесения светопоглощающих покрытий методом электронно-лучевого испарения в вакууме на оптические поверхности деталей из таких материалов, как стекло, сталь, алюминий, латунь, медь, титан.

В диссертационной работе проведен анализ различных методов получения светопоглощающих покрытий, а также были рассмотрены их эксплуатационные свойства.

В рамках работы была разработана и оптимизирована по толщине новая конструкция светопоглощающих покрытий, состоящая из чередующихся металлических и диэлектрических слоев. Покрытия данной конструкции поглощают более 90% электромагнитного излучения в широком диапазоне спектра. Достижением является возможность снижения коэффициентов яркости и отражения от поверхности с покрытием в десятки раз.

Проведенные исследования позволили установить взаимосвязь между технологическими режимами процесса нанесения покрытий и их эксплуатационными свойствами, в результате чего была разработана и оптимизирована универсальная технология нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из различных материалов.

Практическая значимость. Исследования, проведенные в рамках диссертации, позволили разработать конструкцию и технологию нанесения светопоглощающих покрытий, которые имеют практическую ценность в сфере создания оптико-электронных приборов и систем космической ориентации и астрокоррекции. Данные покрытия за счет многократного поглощения падающего излучения, лежащего за границами угла поля зрения объектива прибора, существенно снижают уровень боковых помех. Это приводит к сокращению времени обработки полезного сигнала и способствует повышению точности определения полезного сигнала. Кроме того, разработанная технология позволила получить покрытия, обладающие высоким коэффициентом теплопроводности, что открывает широкие возможности их использования в энергетических отраслях промышленности для аккумулирования и передачи тепловой энергии.

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты теоретического расчета спектральных характеристик светопоглощающих покрытий, оптимизированных по толщинам и пленкообразующим материалам;

- результаты исследований влияние технологических параметров процесса нанесения светопоглощающих покрытий на их структуру и свойства;

- результаты анализа влияния материалов подложек и вида подготовки поверхности на оптические характеристики светопоглощающих покрытий;

- оптимизированные технологические режимы нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из стекла, стали, алюминия, латуни, меди и титана;

- типовой технологический процесс нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из стекла, стали, алюминия, латуни, меди и титана, методом электронно-лучевого испарения в вакууме.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Самсонов, Кирилл Николаевич

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Самсонов К. Н. Технология нанесения светопоглощающих неотражающих покрытий на металлические поверхности методом вакуумного напыления. Сборник статей МГАПИ. 2005. - С. 100-101.

2. Самсонов К. Н. Анализ и подбор многослойных тонкопленочных структур на основе редких металлов и их окислов для получения поверхностей с высокими показателями поглощения и низкими коэффициентами отражения в области спектра 0,4-1,1 мкм. Сборник статей МГАПИ. 2005. - С.97-100.

3. Самсонов К.Н. Оборудование и материалы, применяемые для получения светопоглощающих покрытий // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Пьезо-2008». Москва. 2008. - С. 146-149.

4. Самсонов К.Н. Исследование эксплуатационных свойств светопоглощающих покрытий: Тезисы докладов 7-ой Международной конференции молодых специалистов металлургической, авиационной и ракетно-космической отраслей.// Сборник материалов. 42. Королев. 2008. — С. 52-57.

5. Гриднева Г.Н., Самсонов К.Н. Эксплуатационные свойства светопоглощающих покрытий // Фотоника. №1. 2009. — С. 28-30.

6. Кондратенко B.C., Самсонов К.Н. Морфология поверхностей деталей со светопоглощающим покрытием // Сборник трудов

Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании». Тунис. 2008. — С. 74-77.

7. Кондратенко B.C., Самсонов К.Н., Гриднева Г.Н. Вакуумные светопоглощающие покрытия на металлических деталях для оптического приборостроения // Приборы. №6(108).2009. - С. 51-56.

8. Самсонов К.Н. Разработка технологии нанесения светопоглощающих покрытий методом электронно-лучевого испарения в вакууме // Вестник молодых ученых. МГУПИ. №5. 2009. - С.23-30.

Заключение

В рамках проведенных исследований была решена задача по созданию принципиально новой типовой технологии нанесения светопоглощающих покрытий на оптические детали из различных материалов. Исследование оптических и эксплуатационных характеристик данных покрытий подтверждают возможность их применения в оптико-электронных приборах широкого класса для снижения воздействия боковых помех. Кроме того, разработанная технология позволяет изменять спектральный диапазон поглощаемого излучения, что практически не возможно в случае использования химико-физических методов. В работе изучена и подтверждена возможность нанесения разработанных покрытий на детали из стекол и металлов различных марок. Оптимизированные технологические режимы в сочетании с отработанной методикой контроля толщин наносимых слоев позволяют получать покрытия с воспроизводимыми характеристиками.

В процессе разработки и исследования получены следующие основные результаты:

1. Проведен теоретический расчет спектральных характеристик светопоглощающих покрытий с последующей оптимизацией их по толщинам и пленкообразующим материалам.

2. Исследовано влияние технологических параметров процесса нанесения светопоглощающих покрытий на их структуру и свойства.

3. Произведена оценка влияния материалов подложек и вида подготовки поверхности на оптические характеристики светопоглощающих покрытий.

4. Оптимизированы технологические режимы нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из стекла, стали, алюминия, латуни, меди и титана.

5. Разработан и внедрен типовой технологический процесс нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из стекла, стали, алюминия, латуни, меди и титана, методом электронно-лучевого испарения в вакууме.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Самсонов, Кирилл Николаевич, 2009 год

1. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. — М.: Логос, 2004. -472с.

2. Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. -М.: Логос, 2007. — 248с.

3. ОСТ 3-1901-95. Покрытия оптических деталей. Типы, основные параметры и методы контроля.

4. Шлугер М.А. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник в 2Т, 1985. -М.: Машиностроение.

5. Brown R. J. С., Brewer P. and Milton M. J. T. The physical and chemical properties of electroless nickel phosphorus alloys and low reflectance nickel phosphorus black surfaces.// Journal Materials Chemistry, 2002. Volume 12, Issue 9, Pages 2749 to 2754

6. Андреева H.B. Черные никелевые и хромовые гальванические осадки: Автореферат диссертации к.т.н. Л.: ГОИ, 1969. - 23с.

7. Малыгин А.А. Химическая сборка твердых тел методом молекулярного наслаивания.// Соросовский образовательный журнал, №7, 1998. С.58-64.

8. Белышкин Д.В., Первеев А.Ф. Светопоглощающие пленки на основе керметов.// Журнал прикладной спектроскопии. 1970. Т12, №1. С.133-135.

9. Бочкарев Б.А., Бочкарева В.А. Керметные пленки. — Л.: Энергия, 1975.

10. Ю.Индутный И.З., Шепелявый П.Е., Михайловская Е.В., Парк Ч.В., Ли Дж.Б., До Я.Р. Градиентные светопоглощающие покрытия SiOx-Meдля дисплейных экранов.// Журнал технической физики. 2002. Т72, вып. 6. С.67-72

11. П.Левитина Э.И., Чекмарев В.М. «Вакуумные светопоглощающие покрытия в оптическом приборостроении». — Л.: ГОИ. 1990. 41с.

12. Афанасьев К.Н., Бондарь Е.А., Седова М.В., Шадрина Л.П. Оптические свойства металлических слоев в системах диэлектрик/металл/диэлектрик.// Оптический журнал. 2007. Т74, №5. С.82-86.

13. Гурин В.Н., Гурин Д.В. Разработка эффективного селективного покрытия для солнечных тепловых коллекторов.// Вестник Международного Славянского университета. Харьков Серия «Технические науки». 2008. T.XI, №1.

14. Виолина Г.Н., Марасина Л.А., Семенов Н.Н. Физика и технология тонких пленок. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001. - 66с.

15. Жигальский Г.П. Физические явления в тонких металлических пленках. -М.: Изд-во МГИЭТ (ТУ), 1996. 194с.

16. Карпенко Г.Д., Рубинштейн В.Л. Современные методы генерации потока осаждаемого вещества при нанесении тонкопленочных покрытий в вакууме. Мн.: БелНИИТИ, 1990. - 39с.

17. Головяшкин А.Н. Вакуумные методы получения тонких пленок. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. 108с.

18. Moldosanov К.A. Reflectivity of Black-Chromium Coating at a Wavelength of 121.6 nm // Rough Surface Scattering and Contamination. Philip T.C.Chen, Zu-Han Gu, and Alexei A. Maradudin, Eds., Proceedings of SPIE. 1999. - V. 3784. - P. 117-125.

19. Moldosanov K.A., Henneck R., Skrynnikov A.M., Kashirin V.A., Makarov V.P., Kobtsov G.A., Samsonov M.A., and Kim L.S. Reflectivities of Light-Absorptive Coatings Within Visible Wavelengths Range.// Current Developments in Lens Design and Optical Systems

20. Engineering. Robert E. Fischer, R. Barry Johnson, Warren J. Smith, and William H. Swantner; Eds., Proceedings of SPIE. 2000. - V. 4093. - P. 181-192.

21. Кондратенко B.C., Лепёхин H.M., Присеко Ю.С., Пуресев Н.И. Применение промышленного лазера на парах меди KULON-lOCu-M для микро- и нанотехнологий.// Приборы. 2009. №2 (104). С. 49-54

22. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. 2-е изд. -М.: Изд-во «Наука», 1973.-720 стр.

23. Ландсберг Г.С. Оптика. 6 изд. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.-848 с.

24. Путилин Э.С. Оптические покрытия. Учебное пособие по курсу «Оптические покрытия». СПб.: СПбГУИТМО, 2005. - 197 с.

25. Окатов М.А., Антонов Э.А., Байгожин А. и др. Справочник технолога оптика. 2-е изд. СПб.: Политехника, 2004. - 679 с.

26. Розенберг Г.В. Оптика тонкослойных покрытий. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 1958.- 572 с.

27. Хасс Г. Физика тонких пленок. TI. -М.: Мир, 1967. -344 с.

28. Хасс Г. Физика тонких пленок. Т5. -М.: Мир, 1972. -344 с.

29. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия. -Л.: Машиностроение. 1977, 264 с.

30. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. -Л.: Машиностроение, 1973. 224 с.

31. Беляева А.И., Сиренко В.А. Криогенные многослойные покрытия. -Киев: Наук, думка, 1991. 275 с.

32. Соколов А.В. Оптические свойства металлов. —М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 1961.-467 с.

33. Новицкий Л.А., Степанов Б.М. Оптические свойства материалов при низких температурах: Справочник.-М. Машиностроение, 1980.-224 с.

34. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. -М.: Мир, 1964. -716с.

35. Гемпел А. Справочник по редким металлам. —М.: Мир, 1965. — 947 с.

36. Рыкалин Н.Н. Основы электронно-лучевой обработки материалов. -М.: Машиностроение, 1978. -239 с.

37. Введенский В.Д., Рязанкин В.П. Вакуумная технология оптического приборостроения. -М.: Заочный институт ВНТО приборостроителей им. С.И. Вавилова, 1988. 68 с.

38. Минайчев В.Е. Нанесение пленок в вакууме: Технология полупроводников. В Юкн.: Кн.6. -М.: Высш. шк., 1989. 110с.

39. Зубаков В.Г. Технология оптических деталей. М.: Машиностроение, 1985. -368 с.

40. Хасс Г. Физика тонких пленок. Т8. -М.: Мир, 1978. -360 с.

41. Гайнутдинов И.С., Несмелова Е.А., Хайбуллин И.Б. Интерференционные покрытия для оптического приборостроения. -Казань: Изд-во «ФЭН», 2002. 592 с.

42. Хасс Г. Физика тонких пленок. Т4. -М.: Мир, 1970. -440 с.

43. Лифантьев Н.А., Дьяченко П.П. Определение энергетических коэффициентов пропускания, отражения и поглощения тонких пленок. Обнинск: ФЭИ, 1998. - 20 с.

44. Rancourt J.D. Optical thin films: Users's handbook. McGraw-Hill Publishing Company. USA, New York. 1987. 290 p.

45. Немков A.A., Путилин Э.С. Измерение показателя преломления неоднородного просветляющего покрытия.// Оптический журнал. 2009. Т76, № 1. С. 61-63.

46. Майссел Л., Глэнг Р. Технология тонких пленок. Т2. М.: Сов. радио, 1977. 768 с

47. Андреева Н.В., Филимонов B.C. ОМП. 1982. №8. - С.33-35.

48. Гайнутдинов И.С., Несмелов Е.А. и др. Оптический журнал, 2004. -№8. С. 84-87.

49. Волченок И.А., Горелик Г.Е. Математическое моделирование и оптимальные режимы тепло- и массопереноса при нанесении многослойных покрытий в вакууме. Минск: Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова АН БССР, 1987. - 39 с.

50. Хасс Г. Физика тонких пленок. ТЗ. -М.: Мир, 1968. -332 с.

51. Лоскутов В.В. Шлифование металлов. -М.: Машиностроение, 1970. 264 с.

52. Попов С.А., Малевский Н.П., Терещенко Л.М. Алмазо-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. — М.: Машиностроение, 1977. -263 с.

53. Семибратов М.Н. Технология обработки оптических деталей. — М.: Машиностроение, 1975. 208 с.

54. Михнев Р.А., Штандель С.К. Оборудование оптических цехов. —М.: Машиностроение, 1981. 367 с.

55. Майссел Л., Глэнг Р. Технология тонких пленок. Т1. М.: Сов. радио, 1977. 664 с

56. Афанасьев А.А. Оптические измерения. — М.: Высшая школа, 1981. 229 с.