Спосіб з’єднання деталей зі склокераміки з ультранизьким коефіцієнтом термічного розширення

Запропонований винахід відноситься до способів з'єднання деталей зі склокераміки з ультра низьким коефіцієнтом термічного розширення (торгова марка «ZERODUR» фірми Шотт, Німеччина, або аналог російський ZERODUR фірми Рубін, Москва) та може бути використаний на підприємствах оптико-електронної промисловості для виготовлення прецизійних оптичних систем, наприклад, для з'єднання елементів високоякісних дзеркальних систем з корпусними деталями з цього ж матеріалу. Склокерамічний матеріал з ультра низьким коефіцієнтом термічного розширення представляє собою композиційний матеріал, який отримують в результаті ситалізації при температурі 700-900°С та, в зв'язку з цим, будь-який повторний нагрів при температурі вище 700°С призводить до незворотних змін його фізичних властивостей. В зв'язку з цим розробка низько температурних способів з'єднання деталей з цього матеріалу є актуальною. Зараз для з'єднання оптичних деталей широко використовують спосіб склеювання, при якому деталі, які з'єднують, знежирюють, на поверхні деталей наносять клей, деталі взаємно орієнтують та приводять в стан доторкання, клей видавлюють з зазору між цими деталями та полімеризують у відповідності з вимогами до обраного клею [1]. Найбільш високі експлуатаційні властивості показали клеї на основі епоксидних смол, зокрема такі модифіковані клеї як К-300, К-400 [2]. Недоліком відомих способів склеювання є те, що процес склеювання займає довгий час (до 48 годин), а клеї, як полімерні органічні матеріали, поступово з часом змінюють свої фізико-хімічні властивості, що приводить до помилок в початковій взаємній орієнтації прецизійних деталей, а в деяких випадках, до втрати міцності з'єднання. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип, є спосіб з'єднання поверхонь з металевим проміжним шаром між ними [З], при якому деталі, які з'єднують, з проміжним металевим з'єднувальним шаром прогрівають до температури, що забезпечує адгезійну або хімічну взаємодію металевого з'єднувального шару й поверхонь цих деталей. В деяких випадках на з'єднувальні поверхні попередньо методом вакуумного напилювання наносять тонкі металеві шари. Ця операція називається металізацією. Такий спосіб з'єднання передбачає плавний, контрольований нагрів з'єднувальних деталей, витримку при заданій температурі при заданому питомому механічному тиску на деталі, які з'єднують, а потім плавне, контрольоване охолодження зборки до кімнатної температури. Тривалість всього циклу з'єднання займає від декількох годин до декількох десятків годин (в залежності від властивостей матеріалів та маси деталей). Велика тривалість нагріву приводить, з одного боку, до окислення з'єднувального шару, а з др угого боку, якщо пайку проводять при температурах вище 600°С, відбуваються незворотні процеси в структурі та властивостях деталей із склокераміки. Ці фактори погіршують якість з'єднання. Задачею запропонованого винаходу є підвищення продуктивності та якості з'єднаная шляхом зменшення часу термічного впливу. Поставлена задача досягається тим, що поверхні деталей, які з'єднують, попередньо механічно оброблюють, металізують, розміщують між ними металевий з'єднувальний шар, взаємно орієнтують один відносно одного, механічно притискають одне до одного та короткочасно опромінюють мікрохвильовим випромінюванням з частотою 0,8-2,7Ггц протягом часу, який необхідно для плавлення металевого з'єднувального шару. Позитивний ефект від використання запропонованого технічного рішення пов'язаний з тим, що енергія мікрохвильового випромінювання поглинається лише в невеликому металевому з'єднувальному шарі, що забезпечує локальне, більш швидке та ефективне нагрівання («in site» - «в необхідному місці»). Мікрохвильове випромінювання необхідне лише для плавлення з'єднувального шару, а не нагріву всього виробу. В порівнянні зі звичайним нагрівом тривалістю від декількох годин до десятків годин, даний спосіб реалізується протягом хвилин або десятків хвилин (в залежності від маси та питомої теплоти плавлення матеріалу з*єднувального шару). Запропонований спосіб також забезпечує високу рівномірність розплавлення припою. Крім того, можна припустити, що високоякісне опромінення забезпечує прояв поляризаційного ефекту, при якому «вільні» поверхневі міжатомні зв'язки матеріалу деталей вступають в міжатомну взаємодію з припоєм та покращують міцність з'єднання. Для реалізації запропонованого способу нами були виготовлені зразки 9х9х120мм з російського ZERODUR (ситал СО115М). Поверхні, що з'єднують, попередньо шліфували на алмазним інструментом, металізували - наносили в вакуумі шар Ті, товщиною 0,1мкм, а потім - Ni, товщиною 0,3мкм. В якості з'єднувального шару було використано шар індію товщиною 1мм у вигляді листа 9´120мм. З'єднувальні деталі з проміжним шаром укладали в мікрохвильову піч, задавали необхідне положення один відносно одного та зверху прижимали додатковим ситаловим вантажем вагою 200гр. Частоту випромінювання змінювали за рахунок регулювання параметрів електронної схеми генератора. Результати експериментів показали, що надійне з'єднання деталей забезпечувалось при часі опромінення, який необхідно для розплавлення з'єднувального металевого шару (в нашому випадку цей час склав 30 хвилин). При цьому додаткові операції плавного контрольованого нагріву та плавного контрольованого охолодження були виключені. Частотами опромінювання були 0,8-2,7Ггц; при значеннях менших 0,8Ггц міцність з'єднання була недостатня, в деяких випадках з'єднання не відбувалось. При значеннях більших 2,7Ггц відбува вся небажаний розігрів деталей, які з'єднують, та погіршення міцності з'єднання. Реалізація запропонованого способу дозволила суттєво скоротити час, необхідний для з'єднання та підвищити продуктивність в десятки разів. При цьому підвищилась якість з'єднання: зменшилась кількість дефектів за рахунок однорідності плавлення з'єднувального шару. Література: 1. Способ соединения оптических деталей. В.П.Маслов и др. а.с. СССР №1325029 зарегистрировано 22.04.1987г.; 2. А.П. Петров. Термостойкие клеи. Москва, изд. Химия, 1977г.; 3. Ме тоды соединения оптических деталей. Е.Н. Прокофьев и др., Киев, Те хника, 1984г., с.109-122.