В современных электровакуумных приборах используются элементы конструкций с покрытиями различного назначения, выполняющими различные функции (эмиттеры, катоды, сетки мощных генераторных ламп, газопоглотители, или геттеры).

Газопоглощающие покрытия на деталях электровакуумных приборов

Типовые представители таких деталей представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Типовые детали электровакуумных приборов с плазмонапыленными пористыми покрытиями

 

При разработке и производстве современных электровакуумных приборов большое значение придается созданию нераспыляемых газопоглотителей. При этом работа ведется в нескольких направлениях: разработка математических моделей различных газопоглощающих (геттерных) структур, комплексное исследование свойств нераспыляемых геттеров, разработка оптимальных конструкций сорбционных модулей и технологий их изготовления. Значительный объем теоретических и экспериментальных исследований свидетельствует о перспективности использования в качестве нераспыляемых газопоглотителей плазмонапыленных покрытий на основе порошков активных металлов IVa, Vа групп периодической системы и их композиций.

Среди материалов, обладающих хорошими сорбционными свойствами, отмечаются сплавы циркония с алюминием, из которых наилучшими параметрами по отношению к водороду и оксиду углерода обладает сплав Zr3Al2, наихудшими Zr2Al3.

Газопоглотитель с плазмонапыленным циалевым покрытием геометрической поверхностью 1 см2 и весом активного вещества 20 мг при нагреве до 4000С способен поглощать до 9,3 м/Па водорода со скоростью 1,5-1,9 л/с. Недостатками циалевых геттеров являются высокая температура активировки (1000 0С) и малая механическая прочность. В связи с этим в геттерных устройствах нашел широкое применение титан, который хотя и обладает более умеренными сорбционными характеристиками, но отличается высокой адгезией к основным электровакуумным материалам при достаточно высокой пористости (до 60%).

Исследованию механических, физико-химических и газодиффузионных свойств титановых покрытий посвящено значительное количество работ исследователей. Установлено, что скорость сорбции зависит от толщины пористого слоя. Эту зависимость связывают с изменением геометрии микропор (с удлинением поры, в которой процессы в зонах, отстоящих достаточно далеко от газовой фазы, уже не влияют на скорость сорбции), а также с тем, что открытая пористость образцов имеет предел и не возрастает при увеличении толщины покрытия более 400 мкм. Последнее подтверждается изучением пористой структуры (рассматривалось среднее количество пор на единице площади поперечного сечения покрытия) в сопоставлении со скоростью сорбции. Кроме того, время сорбции и количество поглощенного газа являются соответственно функциями пористости и площади поверхности всех пор.

Сравнение процессов сорбции водорода различными титановыми газопоглотителями показало, что плазмонапыленные геттеры имеют неоспоримые преимущества перед другими видами покрытий и компактным материалом.

Последний имеет незначительные преимущества лишь при температуре геттерирования ниже 670 К. Необходимо отметить тот факт, что плазменные покрытия из порошка титана и других сорбентов можно наносить на любые поверхности приборов при наличии условий их нормальной активировки и рабочей температуры, т.е. отпадает необходимость в различных специальных элементах.

Как отмечалось в большинстве исследований эксплуатационных характеристик геттерных плазмонапыленных покрытий, для них, так же как и для износостойких покрытий, существует проблема адгезионной прочности, хотя они и не эксплуатируются, как правило, при значительных знакопеременных механических нагрузках. Это связано с различием коэффициентов термического расширения напыленного материала и подложки, имеющих различные размеры кристаллической решетки. Вследствие этого всегда возникают остаточные напряжения, приводящие к разрушению покрытия. Если для твердых износостойких покрытий эта проблема устраняется формированием структуры с минимальной пористостью, то для геттеров требование высокой сорбционной емкости вступает в противоречие с требованием адгезионной прочности, т.к. первая, как показано выше, в немалой степени определяется объемом пор. Изложенное свидетельствует о том, что плазмонапыленные газопоглощающие покрытия и в дальнейшем будут иметь широкие перспективы для применения. Однако дальнейшее их совершенствование требует решения следующих проблем:

1) Созданные математические модели сорбционных модулей, позволяющие выполнять их автоматизированное проектирование, построены исходя из интегральной характеристики пористой структуры; между тем в реальных покрытиях существует разброс как по размерам пор, так и по их размещению по объему покрытия; это неизбежно вызывает погрешности расчетов по модели и разброс характеристик в реальных изделиях.

2) Повышение эффективности геттеров связано с увеличением активной поверхности за счет повышения пористости и шероховатости покрытия, что отрицательно сказывается на его адгезионно-когезионных свойствах; изложенные выше методы формирования многокомпонентных покрытий со связующими и стабилизирующими элементами сравнительно трудно осуществимы технически, к тому же наличие трех материалов различной дисперсности и с разными механическими характеристиками будет способствовать еще большей неравномерности характеристик в объеме покрытия, что еще более увеличит вероятностный характер оценки служебных свойств изделия.

Поэтому представляется целесообразным исследовать существующие и разработать новые методы изготовления деталей с покрытиями, обладающими одновременно высокой адгезией и значительной удельной поверхностью, определяемой пористостью и степенью развитости микрорельефа поверхности.