«наномеханика контактного взаимодействия» Проф. д.т.н. Е.А. Деулин, МГТУ им.Н.Э. Баумана, МТ-11, 2-Бауманская ул., 5, Москва 105005, Россия, e-mail: deulin@bmstu.rudeulin@bmstu.ru. - презентация

1 «наномеханика контактного взаимодействия» Проф. д.т.н. Е.А. Деулин, МГТУ им.Н.Э. Баумана, МТ-11, 2-Бауманская ул., 5, Москва , Россия, МГТУ им. Н.Э.Баумана

2 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Вопросы по материалу лекции : 1.Какие параметры физического вакуума влияют на процесс сухого трения в вакууме 2. Как отражается философский закон «переход количества в качество» на существующем арсенале средств измерения вакуума 3. Как отражается философский закон «переход количества в качество » на параметрах вакуумметра сверх широкого диапазона давлений, основанного на использовании процесса трения 4.Диапазон требований вакуумного технологического оборудования к параметрам вакуума 5. Достоинства и недостатки трибовакууметра, как средства оценки вакуума

3 Требования вакуумного технологического оборудования к контролю параметров вакуума МГТУ им. Н.Э.Баумана Схема высоковакумной установки для нанесения тонких пленок (УВН-73П-2): 1- «рука» манипулятора загрузки образцов в вакуумную камеру; 2- барабан-накопитель; 3- шлюзовая камера; 4-рабочий барабан; 5- вакуумная камера; 6- привид руки; 7- заслонка; 8- испарительr; 9-карусель; 10- экран испарителя; 11- шестерня рабочего барабана 12,13- привода карусели и барабанов Рабочий вакуум 10 – Па Коэффициент загрязнения поверхности – менее 01-5% Количество пар трения работающих в вакууме - 56 ! Технологические требования не допускают изменений рабочего давления (вакуума) и качества поверхности обрабатываемых образцов свыше допустимых пределов

4 Требования вакуумного технологического оборудования к контролю параметров вакуума МГТУ им. Н.Э.Баумана Схема сверхвысоковакуумной установки электронной литографии с фрикционным приводом стола: 1- система фокусировки электронного луча; 2- позиционирующий стол; 3- привод линейного продольного перемещения стола; 4- привод поперечного перемещения стола; 5- шариковые направляющие стола; 6- ведущие валки стола; 7-наклонные ролики привода стола; 8- вакуумные вводы вращения; 9- шлюз; 10- ввод вращения питающего устройства. Рабочий вакуум 10 – Па Коэффициент загрязнения поверхности – менее % Количество пар трения работающих в вакууме - 35 ! Технологические требования не допускают изменений рабочего давления (вакуума) и качества поверхности обрабатываемых образцов свыше допустимых пределов

5 Требования вакуумного технологического оборудования к контролю параметров вакуума МГТУ им. Н.Э.Баумана Схема сверхвысоковакуумной установки сборки ФЭП 3го поколения : 1- рабочая камера формирования фотокатоба; 2- собираемый фотоэлектронный прибор (ФЭП) ; 3-фланец ФЭП ; 4- ввод поступательного движения; 5,6- криосорбционные насосы; 7,8- магниторазрядные насосы; 9,10- сорбционные насосы; 11- насосы предварительного разряжения.. Рабочий вакуум 10 – Па Коэффициент загрязнения поверхности – менее % Количество пар трения работающих в вакууме 8-15 Технологические требования не допускают изменений рабочего давления (вакуума) и качества поверхности обрабатываемых образцов свыше допустимых пределов

6 Требования вакуумного технологического оборудования к контролю параметров вакуума МГТУ им. Н.Э.Баумана Обший вид сверхвысоковакуумной аналитической установки фирмы Riber Co. Расположение механизмов слева - направо: 1- Магнитный манипулятор с 2 степенями подвижности; 2- шлюзовая камера; 3- клапан напуска газа; 4- манипулятор для позиционирования образцов; 5-рабочая камера. Рабочий вакуум 10 – Па Коэффициент загрязнения поверхности – менее % Количество пар трения работающих в вакууме Рабочие параметры установки обеспечивают рабочее давление (вакуум) и качество поверхности обрабатываемых образцов в допустимых пределах

7 Существующие датчики (и методы) измерения вакуума в сверхвысоковакуумном оборудовании МГТУ им. Н.Э.Баумана Требования новых технологий: Измерять рабочий вакуум 10 – Па Гарантировать коэффициент покрытия поверхностей в вакууме – менее % что может быть определено только расчётным способом В настоящее время для того, чтобы непрерывно измерять давление при откачке камеры от атмосферного давления 10 5 Па до давления Па необходимо использовать комбинацию по крайней мере трех (а чаще четырех) типов вакуумметров, например: 1.Механический на основе трубки Бурдона (10 5 – 100 Па), ионизационного (10 -1 – Па), инверсно-магнетронного (10 -3 – Па); 2.Мембранного (10 -5 – 10 Па), термопарного (10 – Па), магниторазрядного (1 – Па), инверсно-магнетронного (10 -3 – Па). Среди перечисленных выше типов вакуумметров только 4 из них (механический, мембранный, компрессионный, термопарный) измеряют давление. Другие 3 из выше перечисленных (ионизационный, магниторазрядный, инверсно-магнетронный) измеряют концентрацию остаточных газов по количеству образованных из молекул ионов. Распределение рабочих диапазонов существующих датчиков давления

8 Датчики (и методы) измерения вакуума в сверхвысоко вакуумном оборудовании с учётом разработок МГТУ (МТ-11) МГТУ им. Н.Э.Баумана Требования новых технологий: Рабочий вакуум 10 – Па Коэффициент покрытия (загрязнения) поверхностей в технологическом объёме – менее % Количество пар трения работающих в вакууме может составлять В настоящее время для того, чтобы непрерывно измерять давление при откачке камеры от атмосферного давления 10 5 Па до давления Па необходимо использовать комбинацию по крайней мере трех (а чаще четырех) типов вакуумметров, например: 1.Механический на основе трубки Бурдона (10 5 – 100 Па), ионизационного (10 -1 – Па), инверсно-магнетронного (10 -3 – Па); 2.Мембранного (10 -5 – 10 Па), термопарного (10 – Па), магниторазрядного (1 – Па), инверсно-магнетронного (10 -3 – Па). Среди перечисленных выше типов вакуумметров только 4 из них (механический, мембранный, компрессионный, термопарный) измеряют давление. Другие 3 из выше перечисленных (ионизационный, магниторазрядный, инверсно-магнетронный) измеряют концентрацию остаточных газов по количеству образованных из молекул ионов. Фрикционный (или трибовакууметр 8 ) измеряет не только давление но и коэффициент покрытия поверхностей сорбатом по результатам воздействия сорбированных на поверхностях молекул на силы и энергию контактного взаимодействия Распределение рабочих диапазонов существующих датчиков давления с учётом разработки МГТУ

9 Новый датчик вакуума и коэффициента покрытия поверхностей сорбатом для сверхвысоковакуумного оборудования на основе наномеханики «сухого трения» МГТУ им. Н.Э.Баумана Требования новых технологий: Рабочий вакуум 10 – Па Коэффициент загрязнения поверхности – менее % Количество пар трения работающих в вакууме Распределение рабочего диапазона нового датчика давления (и коэффициента покрытия ) Разработанного в МГТУ им. Н.Э.Баумана Датчик позволяет измерять не только остаточное давление, но и коэффициент покрытия поверхности сорбатом

10 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Наномеханика контактного взаимодействия при «сухом трении». Коэффициент трения зависит от суммарного количества газа, адсорбированного на свободной поверхности твердого тела, характеризуемого коэффициентом покрытия Рассматриваются основные виды трения: Капиллярное трение Капиллярно-вязкостное трение Вязкостное трение; Адгезионное трение Когезионное трение

11 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Параметры датчика вакуума и коэффициента покрытия поверхностей сорбатом, основанного на физике «сухого трения» Изменение коэффициента трения(изменение коэффициента покрытия)можно использовать как критерий степени вакуума. Целесообразно введение понятия «Экстремально высокий вакуум». Степени вакуума, определенные по критерию «трение» практически совпадают с традиционным делением вакуума по степеням, но точнее отражают физику вакуума Экстремально высокий вакуум

12 Новый способ измерения вакуума и коэффициента покрытия поверхностей сорбатом на базе теории «Сухого трения» Измеряемый вакуум Па Измеряемый Коэффициент покрытия поверхности сорбатом ПАТЕНТ На изобретение СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА Патентообладатель: Деулин Евгений Алексеевич (RU) Изобретение относится к области вакуумной техники и технологиям, связанным с использованием вакуума как технологической среды и требующим знания таких параметров как давление остаточных газов, коэффициент покрытия поверхностей, обращённых в вакуум сорбатом. Данный способ измерения вакуума в испытуемом вакуумном объеме основан на измерении зависимости силы трения от изменения давления и от коэффициента покрытия поверхностей, обращённых в вакуум, сорбатом.

13 Новый датчик (и метод) измерения вакуума и коэффициента покрытия поверхностей сорбатом на базе Фрикционного вакуумметра Измеряемый вакуум Па Измеряемый Коэффициент покрытия поверхности сорбатом Обозначения: 1-кожух привода, 3- корпус, 2 магнитный ввод вращения, 4 -первичный ротор, 12- фрикционное кольцо, 8- подшипник, 5- измерительный ротор, 5, 11- фрикционное кольцо, 7- вал., 10-оптронная пара, 9- калиброванный торсион, 6- присоединительный фланец 13- привод. Основными рабочими элементами вакуумметра являются два кольца 12 и 13 поверхность которых обработана с заданной точностью

14 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Физика контактного взаимодействия при «сухом трении» и физический вакуум. Процесс сухого трени в атмосфере (при 10 5 Па) осуществляется при длине свободного пробега молекул L= 0,06мкм. При трении поверхностей с высотой микронеровностей R H =0,01-0,5мкм расстояние между контактирующими поверхностями становится меньшим L, что с соответствует понятию «высокий вакуум». Поэтому на нано уровне процесс «сухого трения» атмосфере соответствует высокому вакууму. При учёте волнообразного взаимодействии атомов контактирующих поверхностей, их магнитных, электрических, полей, фотонных, электронных, адгезионных взаимодействий наномеханика сухого трения ха рактеризуется признаками физического вакуума.

15 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Наномеханика контактного взаимодействия при «сухом трении» и физический вакуум. Процесс сухого трения как в атмосфере, так и в вакууме определяется как функция коэффициента покрытия, который, в свою очередь зависит от многих параметров трения: Р, Т, RH, L, V, a, b и др., Поэтому далее рассмотрим зависимости как Fтр, так и от этих параметров.

16 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Основные представления о физике сухого трения. (Уравнение БЭТ [1]). Толщина пленки сорбата может быть определена где: Р – Остаточное давление сорбата в газовой среде над поверхностью;Р L – давление насыщенных паров сорбата, Е a – теплота адсорбции, E L – теплота парообразования (конденсации) сорбата, R – универсальная газовая постоянная, T – температура поверхности твердого тела (сорбата) 1. Brunauer S., Emmett P.H., Teller E. // Journ. Amer. Chem. Soc. – –.60. – P.309.

17 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Основные представления о физике сухого трения. (Изотермы адсорбции в соотв. с уравнен. БЭТ). Изотермы адсорбции (уравнение БЭТ) Энергия связи первого монослоя сорбата определяется энергией сорбции, остальных – теплотой парообразования. Первый монослой – твердое тело, остальные - квазижидкость Изотермы Б.Э.Т

18 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Основные представления о физике и наномеханике сухого трения. (Диаграммы энергии адгезии по уравн. БЭТ и энергетической теории [2]) Energy of adhesion as a function of the distance from solid surface [1]. Sorbed gas transformed into quasi liquid at the distance about 0.3 nm. Linking energy of the first monolayer of sorbed gas is determined by the sorbtion energy, energy of the next layers is determined by heat of evaporation 2. A.N. Vakilov, M.V. Mamonova, V.V. Prudnikov, Physics of Solid State, V34, 4 (1997) (in Russian) Distance to surface, nm Energy of adhesion E Energy variation according BET equation

19 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Представления о наномеханике «сухого трения» ( Расчет коэффициента покрытия поверхностей сорбатом при скольжении нанонеровностей по формуле EAD [3]) v V – скорость скольжения; L – среднее расстояние между вершинами микронеровностей, 0 – постоянная времени, с; Е a – энергия десорбции, Дж/м 2 ; Т f – максимальная температура поверхности, вышедшей из контакта (температура вспышки), К; Т а – средняя температура перед новым контактированием на пятнах, вышедших из предыдущего контакта, К; - коэффициент прилипания; k – постоянная Больцмана; d 0 – диаметр молекулы сорбата; m – масса молекулы сорбата, кг E.A.Deulin. The Role of Adsorbed Water Film For Sliding Friction of Smooth and Rough Surfaces./ Tribology Science and Application/. Proceed. Of the Review Conf. Vienna , p,p,

20 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Основные представления о наномеханике сухого трения. (Уравнение и методика определения адгезионной составляющей сухого трения) Вязкостная составляющая коэффициента трения Профиль поверхности полированного кремниевого образца, использованный для расчета

21 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Основные представления о физике сухого трения. (Уравнение и методика определения капиллярной составляющей сухого трения) Капиллярная составляющая коэффициента трения

22 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Основные представления о наномеханике сухого трения. (Уравнение и методика определения адгезионной составляющей сухого трения) Адгезионная составляющая коэффициента трения

23 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Сопоставление результатов экспериментов различных авторов по исследованию силы сухого трения Экспериментальная зависимость коэффициента трения от вакуума и от коэффициента покрытия для пары Si-Si Зависимость коэффициента трения от давления для контактной пары сталь-сталь 4. E.A. Deulin, A.A. Gatsenko and B.A. Loginov. Surface Science, (1999) Носовский И.Г. Влияние газовой среды на износ металлов. Киев, «Техника», 1968

24 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Сопоставление результатов экспериментов различных авторов по исследованию силы сухого трения Friction coeffitient of ball bearing type as a function of coverage Friction coeficient of silicone samples as a function of coverage Деулин Е.А. Папко В.М. Юрков Ю.В. Влияние надежности вакуумных подшипников качения на производительность автоматизированного технологического оборудования. Тезисы докл. У Всесоюзн. Конф. МВТУ, М., 1979, С.С P.Repa, A.A. GatsenkoE.A.Deulin Friction coefficient variation of smooth surfaces in vacuum // Abstract Book of 9th Joint Vacuum Conference. - Schloss Seggau by Graz (Austria), P.20

25 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Физика газообмена в парах трения Cхема контактного взаимодействия на наноуровне

26 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Основы физики газообмена в парах «сухого трения» Cхема процессов изменения температуры и концентрации растворённых газов [4] на нано уровне А)-исходное распределение температуры в системе(Т=const) Б)- распределение Т в момент контакта В)- распределение Т в конце контакта Г)- распределение Т после выхода из контакта Д)-остывание системы Е)- распределение Т перед новым контактированием А)-концентраций газа в системе Б) распределение концентраций газа С в системе в момент контакта В)- распределение концентраций газа С в системе в конце контакта Г)- распределение концентраций газа С после выхода из контакта Д)- распределение концентраций газа С при остывании системы Е)- распределение концентраций газа С в системе перед новым контактированием Изменение распределения температуры Т (слева) и концентрации сорбата в образце C (справа) после контактного воздействия 1. [4] Deulin E.A. Exchange of gases at friction in vacuum// ECASIA 97.- John Wiley & sons, Nov pp

27 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Основы процессов газообмена в парах трения A) Распределение концентрации D в базовом образце N=0 B) Распределение концентрации D после наработки N=2x10 3 об С) Распределение концентрации D после наработки N=24x10 3 об 6. E.A.Deulin, R.A.Nevshupa, Appl. Surf. Sci. v (1999), pp Распределение концентраций дейтерия в образце из подшипниковой стали 15% Cr, 1% C в вакууме 5x10 -1 Па до и после механического воздействия осевая нагрузка 34.3 Н, частота вращения 195 об/мин Результаты экспериментов

28 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Основы процессов газообмена на поверхностях [7] Обсуждение результатов расчета концентраци растворен дейтерия согласно классической теории растворимости Теоретический расчет: Р D2 = Па Т = 300К С D2 ТЕОР = ат/см 3 Р D2 = Па Т = 300К С D2 ТЕОР = ат/см 3 [7]. Деулин Е.А. Родина Е.А. Адсорбированная вода как источник растворенных газов в конструкционных материалах. Вакуумная техника и технология.-Т.13, 2, сс.77-82

29 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах Основы процесов газообмена на поверхностях трения Сопоставление экспериментальных результатов ВИМС анализа образцов изготовленных из трубы газопровода (слева) с теоретическим расчетом на основе 2 го закона Фика (справа, треугольные точки на графике) рка Расстояние от внутренней поверхности трубопровода

30 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах *Использование новых датчиков давления вместо существующих позволяет расширить их возможности на 7-10 порядков ! * Использование новых датчиков позволяет измерять коэффициент покрытия, являвшийся до сих пор не измеряемым параметром ! Новые датчики сверхвысоковакуумного оборудования на основе наномеханики «сухого трения» Новые возможности получения результатов:

31 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах * Представленная теория и результаты допускают создание датчиков и метода определения уровня «водородного заболевания» металлических элементов *Так, результаты использования разработанного метода показывают,что концентрация водорода, растворённого в материале труб газопровода после 20 летней эксплуатации возрастает в 300 раз на глубине 8 мм и в 20 раз на глубине 18мм, что может привести к экологическим катастрофам. Новые датчики вакуума на основе наномеханики и физики «сухого трения» cоздают возможности для использования понятий физическоко вакуума:

32 Деулин Е.А. Проблемы трения в вакуумных механизмах У создавать принципиально новые датчики и методы борьбы с «водородной болезнью» металлических элементов Учёт волнообразного взаимодействии атомов контактирующих поверхностей, их магнитных, электрических, полей, фотонных, электронных, адгезионных взаимодействий в высоком и сверхвысоком вакууме, характерных для наномеханики сухого трения и физического вакуума позволяет создавать принципиально новые датчики и методы борьбы с «водородной болезнью» металлических элементов Новые возможности представления получаемых результатов с использованием понятий физическоко вакуума: