КУРСАЧ (ТОО) Теоретические основы обработки КПЭ / Примеры курсовых / Rishat_Z2

2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЁРДОГО ТЕЛА ПРИ ВАКУУМНОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ

ОБРАБОТКЕ

Исходные данные:

Установка: ННВ-6,6-И1(рис 2.1)

P_газа = 210^-4 мм рт. ст.

U_п = 150 В

T_ст = 300 К

T_п = 450°С

I_Р = 122,5 А

Соединение: Cr₃С₂

Необходимо определить:

 ионный ток насыщения j_{i max};

 толщину двойного слоя, определяемую дебаевским радиусом экранирования λ_D;

 потоки ионов металла и молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени n_i, n_г;

 энергию, выделяемую на поверхности конденсации за единицу Δq;

 количество газа, вступившего в реакцию с металлом n_x;

 содержание неметалла C_x в соединении;

 пороговое значение потенциала подложки U_пкр.

Рисунок 2.1 Расчётная схема ионно-плазменного осаждения покрытий установки ННВ6,6-И1

1-вакуумная камера; 2- катод; 3-анод; 4-соленоид; 5-электронно-лучевая пушка; 6-тиггель; 7-обрабатываемая заготовка

2.1 Расчёт ионного тока насыщения

При подаче на обрабатываемую поверхность, находящуюся в плазме, достаточно высокого отрицательного потенциала на поверхность поступает ионный ток насыщения, величина которого в неравновесной плазме дается формулой [5]:

(2.1)

где: μ_р – коэффициент эрозии катода, μ_р = 42·10^-9 кг/Кл [15]

– среднее зарядовое число ионов, =1,44 [5]

m_i – масса конденсирующегося атома, m_i=86,2978·10^-27 кг [5]

R_k – радиус катода, R_k=0,04 м

I_p – ток дуги 122,5 А;

l – расстояние от торца катода до обрабатываемой поверхности 0,12 м

.

2.2 Расчёт потоков ионов металла и молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени n_i, n_г

Молекулы газа, адсорбированные на поверхности конденсации, приводят к образованию соединений за счет диссоциативной хемосорбции путем возникновения двух ковалентных связей металл – газ.

Потоки ионов металла и молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени определяются соотношениями:

(2.2)

где: е – заряд электрона, е = 1,6·10^-19 Кл;

– среднее зарядовое число ионов;

(2.3)

где: α_к – коэффициент конденсации α_к=1;

k – постоянная Больцмана, k= 1,38·10^-23 Дж/К;

Р_г – давление газа, Па;

m – масса молекулы (для молекулярного газа) или атома (для атомарного газа), кг; m_(В)=12,011 · 1,67 · 10^-27= 20,05837 ·10^-27 кг;

Т – температура газа Т≈300 К.

2.3 Расчёт толщины двойного слоя, определяемой дебаевским радиусом экранирования λ_D

Поверхность в плазме оказывается окруженной слоем из положительных ионов двойного слоя. Толщина двойного слоя определяется дебаевским радиусом экранирования [6]:

(2.4)

где: k – постоянная Больцмана, 1,38·10^-23 Дж/К;

T_e – температура электронов, 4 эВ;

е – заряд электрона, 1,6·10^-19 Кл)

n_i - поток ионов металла.

.

2.4 Расчёт энергии, выделяемой на поверхности конденсации заединицу Δq

На поверхности конденсации за единицу времени выделится энергия, определяемая соотношением [6, стр. 20]

(2.5)

где: U_п – отрицательное напряжение смещения на подложке относительно плазмы, В;

– средняя энергия ионов, для Cr =122·10^-19 Дж [5]

Q_к – энергия, выделяющаяся при конденсации одного иона, Дж.

(2.6)

где: Q_и – теплота испарения металла, кДж/моль (для CrN Q_и = 342 кДж/моль) [7];

N_a – число Авогадро, N_a = 6,022·10²³ моль^-1.

Тогда энергия на поверхности конденсации за единицу времени:

.

2.5 Расчёт количества газа, вступившего в реакцию с металлом n_x

Количество газа, вступившего в реакцию с металлом, рассчитывается по формуле:

(2.7)

После преобразования:

(2.8)

где: Т_ст – температура стенок камеры, К;

ε_r – интегральный коэффициент излучения наносимого материала 0,13 [5];

Т_п – температура подложки;

σ – постоянная Стефана-Больцмана, σ =5,67·10^-8 Дж/с·м²·К⁴;

Q_p – потенциальный барьер реакции

, (2.9)

где: c – теплота образования, для Cr₃С₂ с = 98 кДж/моль [14];

N_a – число Авогадро, N_a = 6,022·10²³ моль^-1.

.

Тогда количество газа, вступившего в реакцию с металлом:

2.6 Расчёт содержания неметалла C_x в соединении

Если энергия Δq, подводимая к поверхности, достаточна для того, чтобы весь падающий на поверхность подложки поток газа образовал химическое соединение, то содержание неметалла С_x не зависит от энергии ионов и будет определяться только потоком n_г, т.е давлением газа, тогда

(2.10)

Подставляя числовые значения получим:

.

2.7. Расчёт порогового значения потенциала подложки U_пкр

Пороговое значение потенциала подложки, при котором весь поток газа вступает в химическое соединение, однозначно связанное с давлением газа, можно найти из соотношения:

(2.11)

При подстановке числовых значений получаем

2.8 Вывод

В зависимости от параметров конденсируемого плазменного потока в процессе синтеза покрытий методом вакуумной ионно-плазменной обработки рассчитаны характер и эффективность плазмохимических реакций, и получены следующие характеристики:

– плотность ионного тока насыщения,

– поток ионов металла, n_i = 118,668·10¹⁹ ион/м²

– поток ионов газа, n_г = 118,65·10¹⁹ атом/м²

– толщина двойного слоя положительных ионов

– энергия выделяемая на поверхности конденсации

–количество газа вступившего в реакцию,

– содержание неметалла в соединении,

– пороговое значение потенциала в подложке, _.

8