книги из ГПНТБ / Зимин, В. С. Стеклодувное дело и стеклянная аппаратура для физико-химического эксперимента

Впаивание диска монокристалла кремний в стекло. Кремнии

тугоплавок; чистый кремний плавится при 1410°С. Монокристалл

кремния обладает способностью пропускать инфракрасные лучи, к тому же он отлично согласуется со стеклами типа «пирекс». Благодаря этим свойствам монокристаллы кремния нашли широ-

?. .7

кое применение в области инфракрасной стектроскопии: из них изготавливают окошечки в плоскопараллельных стеклянных кюветах.

Для изготовления таких кювет прежде всего необходимо овла­ деть техникой впаивания монокристалла кремния в стекло. Из монокристалла вырезают диск заданного размера (толщина его может достигать 5 мм), шлифуют, полируют и обезжиривают его поверхность. Подбирают трубку, в которую предполагают впаять диск. Внутренний диаметр трубки должен быть больше диаметра диска на 0,2—0,4 мм. Диск вставляют в трубку и крепят так, как

вый способ). Впаивание производят на узком горячем пламени кислородной горелки. Стекло хорошо спаивается с кремнием, если край диска разогрет до красного каления. Впаянный диск отжигают, причем в печь для отжига его можно помещать как в

горячем состоянии, так и после полного охлаждения. Температура

отжига равна температуре отжига пирексовых стекол (600 °С). До­ брокачественный спай — вакуумноплотный и имеет темно-серый цвет.

150

Во время спаивания на поверхности кремниевого диска обра­ зуется (в основном вблизи стенок трубки) окисная пленка. Она

имеет радужную окраску. Удалить окисную пленку можно по­ вторной полировкой, но только с внешней стороны, предваритель­

но отрезав часть трубки. Предотвратить образование окисной

Рис. 68. Схематическое изображение изготовления кюветы из монокристалла кремния:

Изготовление кюветы с плоскопараллельными дисками из моно­

кристалла кремния с микрозазором между поверхностями дисков.

Из монокристалла кремния делают два диска (см. выше), шли­ фуют, полируют и обезжиривают их. Диски должны быть одина­ ковыми по диаметру и толщине, на их ребрах не должно быть фасок. На поверхности одного из дисков на расстоянии (/) 4 мм от края по всей окружности делают канавку глубиной 2—3 мм и шириной 3—4 мм. Ее вытачивают при помощи шлифовального порошка цилиндрической оправкой из латуни на станке для шлифовки стекла. Всю плоскость диска, ограниченную канавкой,

сошлифовывают и полируют. Толщина сошлифованного круга на диске должна соответствовать заданному зазору (∕ι), т. е. при плотном наложении плоскости чистого диска (без канавки) на плоскость диска с канавкой в центре между дисками должен по­

лучиться зазор необходимой высоты (рис. 68).

Затем на обоих дисках вдоль одной диаметральной оси диска делдют (сверленңем и шлифовкой) по две полукруглых канавки 2

151

так, чтобы при наложении одного диска на другой образовались два отверстия диаметром (d) 2—3 мм и глубиной, равной ширине выступающего на одном диске кольца, т. е. 4 мм. Через эти от­

верстия в дальнейшем будут заливать внутрь кюветы исследуе­ мую жидкость.

Рис. 69. Впаивание остеклован­ ного металлического ввода в токе защитного газа.

После тщательной промывки в воде, растворителях (ацетон,

спирт) и сушки диски помещают внутрь стеклянной трубки и тщательно закрепляют с двух сторон двумя кварцевыми труб­ ками, снабженными державами. Сложенные диски должны быть

плотно зажаты между кварцевыми трубками. Спаивают диски со стеклянной трубкой так же, как и одиночный диск. После оконча­ ния спаивания стенки трубки по местам отверстий в дисках про­ калывают вольфрамовой иглой и к полученным отверстиям при­ паивают узкие стеклянные трубки, которые затем соединяют между собой (рис. 68, г). Такое соединение улучшает заливку и промывку кюветы. Готовое изделие подвергают отжигу в разогре­ той до температуры отжига стекла (в данном случае П-15) печи.

После отжига концы широкой трубки (вблизи кюветы) обре­ зают, а оставшееся стекло сошлифовывают, оставляя с обеих сто­ рон кюветы стеклянные бортики высотой 1 —1,5 мм.

Можно изготовить кювету этой конструкции с зазором между

плоскостями дисков в 5 мкм (микрон). Кюветы с большим зазо­ ром между дисками из монокристаллов кремния делают методом изготовления кюветы с оптическими стеклами (см. § 67). Все

кремниевые кюветы прекрасно выдерживают высокое давление,

глубокий вакуум и повышенную температуру.

Впаивание диска из окиси цинка в стекло. Диск из окиси цинка впаивают в стекло С49-2 (молибденовое), применяя первый спо­

соб впаивания металлических дисков. Обычно диски из окиси цинка применяют в электрохимических исследованиях, где чаще всего вакуумноплотные соединения со стеклом не требуются.

§ 50. Впаивание остеклованных металлических вводов и дисков в токе инертных газов

в тех случаях, когда условия эксперимента предъявляют особые требования к герметичности прибора и чистоте среды (т. е. недо-

152

пустими какие-либо загрязнения, наличие окисных цленок на по­ верхностях металлических деталей, свободных от стекла, и т. п.). В этом случае поверхность металлических деталей перед впаива­ нием в стеклянные заготовки тщательно очищают шлифовкой,

травлением в кислотах, обезжириванием, промывкой и т. д.

Рис. 70. Впаивание металлического диска в токе защитного газа:

а—приспособление из стеклянных трубок для впаивания металлического диска (/—4 —от­ воды); б—впаянный в стекло диск (5—металлический диск); К, K1, —линии разреза.

Стеклянные заготовки также тщательно очищают. Они долж­ ны иметь трубки — отводы для входа и выхода инертного газа. Металлические детали, предназначенные для впаивания, встав­ ляют в отверстия, сделанные для этого в заготовке. Диаметр от­

верстия должен точно соответствовать диаметрам деталей. Во все время впаивания вплоть до полного остывания на воздухе и во время выдержки в печи для отжига через заготовку пропускают инертный газ.

Газ, обычно поступающий из баллонов, необходимо предвари­ тельно очищать. Для этого его пропускают через специальные

установки для очистки газов (например, установку ПГ, выпускае­ мую заводом «Химлаборприбор»), в которых он освобождается от

примеси кислорода, воды, двуокиси углерода и др.

Впаивание остеклованного одиночного ввода. На рис. 69 пока­

зан способ впаивания одиночного ввода в стеклянную заготовку.

Трубку заготовки соединяют резиновым шлангом с системой очист­ ки инертного газа и начинают пропускать его через заготовку. Ско­ рость пропускания газа может колебаться от 2 до 5 л/мин, что определяется объемом заготовки. Выходит газ через трубку, нахо­ дящуюся на противоположном конце заготовки. В торцовое отвер­ стие заготовки вставляют остеклованный ввод так, чтобы края от­ верстия плотно прилегали к краям трубки ввода. Затем осторожно

разогревают детали и спаивают их на узком пламени горелки по частям. Особенно внимательно нужно проводить начальную стадию спаивания, следя за тем, чтобы в месте спая не осталось отвер­ стия, так как это может затруднить спаивание. Дутье осуществляют тем же защитным газом, периодически закрывая пальцами выход­ ное отверстие заготовки. Тогда благодаря давлению газа пропаи­ ваемые участки раздуваются. После завершения пропайки деталь обогревают и отжигают, продолжая непрерывно пропускать газ че­

153

рез заготовку до полного ее охлаждения. Аналогичным путем впаи­ вают и стеклянные многоэлектродные диски.

Впаивание металлического диска. На рис. 70, а, б показан спо­ соб впаивания металлического диска в стеклянную трубку в токе инертного газа. При впаивании диска необходимо обе его плоско­

Д

Рис. 71. Виды «сжатых» спаев с утонченной металлической кромкой (А—Г) и в середине цилиндра (Д).

сти омывать защитным газом. Для этого пользуются приспособле­

нием, которое монтируют в трубке для впаивания диска.

Сначала внутрь заготовки помещают две трубки с разверну­ тыми краями, расстояние между которыми должно быть на 1,5— 2 мм больше толщины диска. Затем известными способами, опи­ санными в предыдущих главах, впаивают трубки и припаивают четыре отвода (рис. 70,а). Отводы 2 и 3 спаивают между собой трубкой того же диаметра. Отводы 1 и 4 служат державами и в то же время трубками для входа и выхода защитного газа. Полу­ ченное приспособление разрезают по линии К, показанной на рисунке, и внутрь него (между развернутыми трубками) помещают металлический диск 5.

Резиновым шлангом соединяют трубку 1 с системой подачи и очистки защитного газа. После этого спаивают место разреза и впаивают диск 5 на узком пламени горелки. После отжига и пол­ ного остывания трубку разрезают в двух местах (на рис. 70,6 места разрезов показаны линиями Ki и A2). Дутье производят так же, как при впаивании одиночного ввода (см. выше).

§ 51. «Сжатые» спаи

Стеклянные заготовки (окошки, трубки и т. д.), спаянные с внутренними стенками металлических цилиндров без предвари­ тельного остекловывания металлической поверхности, отличаются завидной прочностью спая металл — стекло. Эти спаи называют

сжатыми. Доказано, что все составляющие возникающего напря­ жения в «сжатых» спаях имеют одинаковый знак. Поэтому, под­

154

бирая для спаивания материалы, можно свести напряжение к сжимающему.

Кромка металлического цилиндра в таких спаях может быть

Рис. 72. Сложный «сжатый» спай:

/, 2— стальные трубки; 3 — стальной ввод; 4—спеченное стекло, поверхность Которого после спаивания стала во­ гнутой; 5—графитовая форма.

цилиндр в средней его части. Некоторые конструкции «сжатых» спаев представлены на рис. 71.

«Сжатыми» спаями впаивают несогласующиеся стекла в мед­ ные и стальные цилиндры. Наибольший интерес представляют спаи стальных цилиндров со стеклом.

Спаивание со сталыо несколько затруднено ввиду ее легкой

окисляемости при нагревании и высокого значения коэффициента теплового расширения: 151∙70~7 К-1 (в интервале температур 20— 300 0C) .* Окислы стали довольно трудно растворяются в стекле, что препятствует получению вакуумного спая. Адгезионные свой­ ства стекла к стали можно улучшить разными способами: приме­ нить гальваническое покрытие стали медью (толщиной около

3 мкм), хромирование поверхности стали путем нанесения хрома гальванически или из газовой фазы (окислы хрома хорошо сма­

чиваются стеклом), а также эмалевое покрытие с добавками за­ киси никеля или окиси кобальта в количестве 1 вес.%.

Простейшей обработкой поверхности стали считают обработку при помощи солей. Стальные детали погружают в кипящий рас­

твор смеси карбоната (20 весовых частей) и тетрабората натрия (60 весовых частей на 1 л воды). После того как детали про­ греются до температуры кипящего раствора, их вынимают из ван­ ны, высушивают и отжигают при температуре 800—850 °С. На поверхности металла образуется связанная стекловидная пленка с растворенным окислом железа.

Наиболее удобным и легко осуществимым в лабораторных усло­

влажного водорода. На рис. 72 схематично изображена форма для

* Буквой К обозначают градус температуры.

155

получения сложного «сжатого» спая, описанная Б. Роусом. Обра­

ботанные стальные детали устанавливают в отверстия графитовой формы; в промежутки между стальными деталями засыпают по­ рошок, приготовленный из свинцового стекла с размером зерна от

0,7 до 1,5 мм. Заготовку помещают в печь в атмосферу влажного водорода. Печь разогревают до температуры спаивания, порошок сплавляется в стеклянную массу, которая и спаивается со сталыо.

Для получения надежного вакуумноплотного спая стеклянная часть спая должна быть вогнутой, поэтому графитовую форму де­

лают выпуклой по местам будущих спаев.

§ 52. Изготовление многоэлектродных ножек

Различают несколько видов многоэлектродных ножек: гребеш­ ковые, ножки с большим числом вводов по окружности дна широ­ кой трубки и плоские ножки.

Гребешковые ножки. Вначале каждый металлический стержень остекловывают, затем все стержни закрепляют в специальном при­

способлении (рис. 73,Л) и спаивают между собой на пламени го­

релки, обжимая спаиваемую часть плоскими щипцами и придавая ей форму удлиненного плоского прямоугольника. На полученном

полученную гребешковую ножку впаивают в стеклянную трубку.

В промышленном производстве гребешковые ножки получают штамповкой на специальных станках — автоматах.

Вводы по окружности дна стеклянной трубки. На рис. 74 пока­

зана трубка с восемью металлическими вводами. Для изготовле­ ния такой детали сначала у трубки делают плоское дно с округ­ ленными плечиками. Затем по окружности дна либо припаивают тройниковым спаем восемь отводных трубок, либо получают их вдуванием размягченного дна трубки в специальную форму. В ка­ ждую трубку — отвод поочередно впаивают остеклованные метал­ лические вводы. Для сохранения параллельности и направленности вводов применяют специальные крепления, изготовленные из не­

горючего материала (графита, металла или керамики).

Плоские ножки. Плоская ножка представляет собой стеклянный диск с впаянными по окружности металлическими вводами. В крупном промышленном производстве такие ножки делают штамповкой размягченного стекла на специальных станках. Ана­ логичную ножку можно изготовить и на пламени горелки методом,

похожим на предыдущий. В этом случае остеклованные вводы

впаивают непосредственно в дно трубки. Готовую заготовку отжи­ гают и, если это необходимо, разрезав трубку вблизи дна, сошлифовывают лишнее стекло.

Можно воспользоваться методом изготовления плоских ножек в крупном промышленном производстве. Он состоит в спекании остеклованных вводов со стеклянным порошком, засыпанным в

156

специальную форму, при нагревании в муфельной печи или токами высокой частоты.

Форма может быть изготовлена из любого материала, выдер­ живающего температуру IOOOoC, но предпочтение отдают формам из графита. Метод спекания в муфельной печи проще и легко вос-

Рис. 73. Гребешковые ножки:

Л — последовательность изготовления ножек вручную; /, 2 —трехэлектродные ножки; 3 — многоэлектродная ножка, полученная штамповкой вручную; Б —ножки, полученные штамповкой на специальных станках.

производим в лабораторных условиях. Стеклянный порошок, пред­ назначенный для спекания, готовят, размалывая бой стеклянных трубок в шаровых мельницах (можно в фарфоровой ступке) с добавлением метилового спирта и нескольких капель нашатыр­ ного спирта. Отфильтрованный порошок сушат при 250 0C и про­ сеивают через сито (№ 50—№ 60).

Водную суспензию применять не рекомендуется, так как мно­ гие стекла водой выщелачиваются и свойства их резко меняются.

Форма для спекания состоит из матрицы, имеющей отверстия для предварительно остеклованных вводов и место для засыпки стеклянного порошка, и крышки соответствующего профиля (рис. 75).

Спекание проводят или в атмосфере сухого азота, или в нор­ мальной атмосфере. В последнем случае для уменьшения доступа воздуха графитовую форму заключают в герметичный металличе-

157

скии кожух. Загруженную форму выдерживают в печи в течение 5—10 мин при температуре 800—900 °С, а затем, не вынимая фор­ му, печь быстро охлаждают. Перегрев печи не влияет на качество

спая, а недогрев ведет к образованию непригодного вакуумноне­

плотного спая. Стекла, полученные спеканием порошков, обладают

Рис. 74. Вводы по окружности дна трубки.

большей термостойкостью, чем стекла, из которых их получают. Поэтому для более успешного последующего впаивания в прибор ножек, изготовленных методом спекания, вокруг них рекомендует­ ся делать окантовку из стеклянного кольца. Кольцо соответствую­ щего размера (диаметр, толщина, высота) получают, отрезая часть трубки из стекла, аналогичного тому, из которого приготовлен

порошок. Поместив кольцо и вводы в форму, засыпают порошок,

а затем спекают вводы в печи под небольшим гнетом (груз раз­ мещают на крышке формы). Отжиг плоских многоэлектродных ножек, полученных спеканием стеклянного порошка, не обязате­ лен; случаи разрушения таких ножек довольно редки. Для изго­ товления плоских многоэлектродных ножек в основном пользуются

порошком из тугоплавких стекол.

§53. Электрод из сурьмы

Вэлектрохимических исследованиях иногда используют элек­ троды из сурьмы. Сурьма — легкоплавкий металл (температура

плавления 630,5 0C), поэтому ее нельзя спаивать со стеклом. Для получения электрода используют одновременное расплавление стеклянной трубки и сурьмы, заключенной в ней, на пламени го­ релки с последующим вытягиванием трубки в капилляр.

Технология изготовления заключается в следующем. От трубки

жавы трубки, оттягивают вторую державу. Конец одной из держав

158

оставляют открытым для доступа воздуха. Вблизи одной из дер­ жав наплавляют стенки трубки и, переместив сурьму в наплавлен­

ную часть, одновременно вытягивают размягченное стекло с рас­ плавом сурьмы в узкий капилляр. После остывания кончик капил­

ляра отрезают и шлифуют.

ческие остеклованные вводы; 5 —спи­ раль из никелевой проволоки для пред­ отвращения деформации трубки; 6 — стеклянная трубка; 7—стеклянный порошок.

Описанным способом можно изготовить электрод из сурьмы, заключенной в стеклянную оболочку диаметром до 1—2 мм.

Электрод вводят в прибор на шлифе или на специальном уплот­

нении.

§54. Сварка многозвенных электродов

икрепление впаиваемых вводов

Многозвенные спаи. Часто при изготовлении электродов прихо­

дится применять металлические стержни (проволоки), сваренные из двух или трех различных металлов. Такие спаи называют много­ звенными.

Многозвенные спаи находят применение в экспериментах, пред­ усматривающих работу спая в агрессивных средах, а также в экспериментах, требующих соблюдения особой чистоты. Чаще всего внутрь таких приборов вводят платиновые электроды, но, как известно, платина хорошо спаивается с легкоплавкими стеклами,

а большинство сложных приборов делают из тугоплавкого стекла.

В этом случае прибегают к сварке с платиной металла, согласую­ щегося с тугоплавким стеклом. Для этого применяют молибдено­ вые и вольфрамовые стержни. Сваривают стержни с платиновой проволокой на горячем узком пламени кислородной горелки. Тем­ пература пламени должна быть такой, при которой окислы воль­ фрама (или молибдена) испаряются и могут быть удалены со свариваемого участка стержня. (С окисленной поверхностью ме­ таллов платина сваривается плохо.) Техника сварки довольно

проста, но требует некоторого навыка. Торец стержня (молибде­ нового или вольфрамового) помещают в пламя и разогревают до

белого каления. Затем в пламя вводят платиновую проволоку и нагревают ее конец до плавления. Расплавляющийся конец пла-

159