научная статья по теме СОЗДАНИЕ ЗАЩИТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА АЛЮМИНИИ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «СОЗДАНИЕ ЗАЩИТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА АЛЮМИНИИ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, № 12, с. 45-51

УДК 621.793.182

СОЗДАНИЕ ЗАЩИТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА АЛЮМИНИИ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

© 2013 г. М. С. Зибров1, Г. В. Ходаченко1, А. В. Тумаркин1, А. В. Казиев1, Т. В. Степанова1, А. А. Писарев1, М. В. Атаманов2

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия 2ЗАО "Инакотек", Москва, Россия Поступила в редакцию 19.02.2013 г.

Проведены эксперименты по нанесению медных и титановых покрытий на алюминиевые фольги и полированные алюминиевые пластины для их защиты от коррозии в щелочных средах. Покрытия осаждались в магнетронных распылительных системах трех типов: в стационарном магнетронном разряде, в сильноточном импульсном магнетронном разряде и в стационарном магнетронном разряде с расплавленным катодом. Стойкими к воздействию раствора №ОН (30 вес. %) оказались только алюминиевые фольги с медными покрытиями, полученными при использовании комбинированной ионно-плазменной технологии. Она включает в себя предварительную очистку поверхности алюминия ионным пучком, нанесение плотного промежуточного слоя в стационарном магне-тронном разряде с ионным ассистированием начального этапа осаждения и нанесение дополнительного слоя в магнетронном разряде с расплавленным катодом.

Б01: 10.7868/80207352813120214

ВВЕДЕНИЕ

Алюминий и его сплавы широко используются в аэрокосмической, автомобильной и электротехнической промышленности благодаря своей легкости, простоте обработки, высокой тепло- и электропроводности и сравнительно высокой прочности. Алюминий химически инертен в нейтральных водных средах благодаря наличию естественной оксидной пленки на его поверхности. Однако в некоторых агрессивных средах алюминий подвержен коррозии, причем наиболее интенсивное его разрушение происходит в водных растворах щелочей [1, 2]. Тем не менее, использование алюминия в агрессивных средах может оказаться возможным при создании защитного покрытия на его поверхности.

Отдельной проблемой является защита тонких алюминиевых фольг, которые широко используются в электротехнической промышленности, в частности для изготовления токосъемников суперконденсаторов. В этом случае затруднительной становится механическая или электрохимическая подготовка поверхности образцов перед нанесением покрытия. Негативную роль играют также внутренние напряжения в покрытиях, вызывающие деформацию фольги.

В литературе имеется ограниченное число работ по созданию защитных покрытий на алюминии, большинство из них посвящено защите алю-

миния от коррозии в водных растворах солей [3—5]. Лишь несколько работ посвящено защите алюминия от коррозии в водных растворах щелочей [6]. В большинстве работ в качестве защитных слоев использовались покрытия на основе углерода (преимущественно алмазоподобные). Однако результаты исследований показывают, что такие покрытия могут хорошо защищать алюминий от атмосферной коррозии, но не могут предотвратить его коррозию в водных растворах щелочей [6, 7].

В качестве альтернативы углеродным покрытиям можно рассматривать покрытия на основе металлов [2, 8]. Можно ожидать, что плотные покрытия катодного типа из металлов, стойких к воздействию щелочей (таких как медь и титан), смогут предотвратить коррозию изделий из алюминия в щелочных электролитах. Такие покрытия также могут обладать рядом преимуществ по сравнению с углеродными покрытиями: металлической электропроводностью, большей пластичностью и меньшими внутренними напряжениями. За счет этого возможно создание защитных слоев на изделиях из алюминия без предварительной подготовки их поверхности (полировки, химического травления), что является актуальным с точки зрения защиты от коррозии тонких алюминиевых фольг или профилированных изделий из алюминия с высокими требованиями к их геометрии.

Осаждение покрытий в магнетронных распылительных системах (МРС) является широко распространенным методом создания плотных и однородных пленок с хорошей адгезией. Получение плотных металлических покрытий в стационарном магнетронном разряде (СМР) возможно при низких давлениях рабочего газа (p ~ 10-1 Па), повышенных температурах подложки T (больших 0.3 Tm — температуры плавления материала покрытия), подаче отрицательного напряжения смещения на образец или облучении растущей пленки ионным пучком (ионном ассистировании) [9]. В сильноточном импульсном магнетронном разряде (СИМР), благодаря высокой степени ионизации распыляемого металла, возможно получение покрытий с высокой плотностью [10, 11]. Магнетрон-ный разряд с расплавленным катодом или жидко-фазный магнетронный разряд (ЖФМР), горящий в парах материала мишени, является перспективным инструментом для сверхскоростного нанесения металлических покрытий с различной структурой и требуемыми свойствами [12, 13].

Данная работа посвящена исследованию возможности использования покрытий из меди и титана, осаждаемых в магнетронном разряде, для защиты алюминия (как толстых образцов, так и тонких фольг) от коррозии в водных растворах щелочей.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Покрытия всех типов наносились на подложки из алюминиевой фольги толщиной 30 мкм и чистотой 99.95% при поставке. Для сравнения покрытия осаждались также на механически полированные пластины из алюминия толщиной 2 мм и чистотой 99.95%. Перед нанесением покрытий все образцы были подвергнуты ультразвуковой очистке в ацетоне.

Нанесение покрытий в стационарных МРС.

Осаждение медных и титановых покрытий в стационарном магнетронном разряде проводилось на установке "Univex 450B" (Leybold Systems). Вакуумная камера откачивалась турбомолекуляр-ным насосом до остаточного давления не выше 5.0 х 10-5 Па. В качестве мишеней для распыления использовались медь и титан. В качестве рабочего газа — аргон высокой чистоты. Образцы размещались на столике, на дне которого был установлен резистивный нагреватель. Предварительно образцы очищались в емкостном ВЧ-раз-ряде, зажигаемом между столиком и стенками камеры, при мощности разряда 100 Вт, напряжении самосмещения на столике —440 В и давлении 5.0 х 10-1 Па. Осаждение медных покрытий проводилось в стационарном магнетронном разряде при напряжении разряда 454 В, мощности разряда 300 Вт и температуре образцов 700 К

(T/Tm ~ 0.5). Титановые покрытия осаждались в стационарном магнетронном разряде при напряжении разряда 383 В, мощности разряда 300 Вт и температуре образцов 800 К (T/Tm ~ 0.4). В процессе осаждения покрытия на образцы не подавалось напряжение смещения. Полученные покрытия имели толщину около 0.5 мкм.

Осаждение медных и титановых покрытий в стационарном магнетронном разряде проводилось также на установке "Комплексный плазменный стенд" [11]. Вакуумная камера откачивалась криоконденсационным насосом до остаточного давления не выше 1.0 х 10-3 Па. В качестве мишеней для распыления использовались медь и титан, в качестве рабочего газа — аргон. Перед нанесением покрытий поверхность образцов распылялась пучком ионов аргона с током до 10 мА/см2 и энергией ионов до 2.5 кэВ. Температура образцов не превышала 500 К. Осаждение покрытий проводилось в стационарном магнетронном разряде при напряжении разряда 500 В, мощности разряда до 4 кВт и рабочем давлении 1.3 х 10-1 Па. В процессе осаждения покрытия на образцы подавалось отрицательное относительно заземленных стенок камеры напряжение смещения —300 В ; температура образцов не превышала 450 К. Первая половина процесса осаждения медных пленок проводилась при одновременном облучении пучком ионов аргона с энергией 1 кэВ. Полученные покрытия из меди имели толщину около 1.3 мкм, из титана — около 0.8 мкм.

Нанесение покрытий в импульсной МРС. Осаждение медных и титановых покрытий в сильноточном импульсном магнетронном разряде проводилось на установке "ПИНЧ" [11]. Вакуумная камера откачивалась турбомолекулярным насосом до остаточного давления не выше 1.0 х 10-3 Па. В качестве мишеней для распыления использовались медь и титан, в качестве рабочего газа — аргон. Предварительная очистка образцов осуществлялась в разряде Пеннинга, зажигаемом между образцами и противокатодом, при напряжении разряда 1.4 кВ, токе разряда до 100 мА и рабочем давлении 1.3 Па. Для получения сильноточного магнетрон-ного разряда предварительно зажигался стационарный магнетронный разряд с напряжением до 400 В, током до 100 мА при рабочем давлении 1.1 Па. Затем к разрядному промежутку прикладывался импульс высокого напряжения, переводящий стационарный магнетронный разряд в сильноточную форму, характеризующуюся током до 60 А, напряжением до 1000 В и длительностью импульса свыше 10 мс. В процессе осаждения покрытия на образцы подавалось отрицательное напряжение смещения —300 В; температура образцов не превышала 350 К. Полученные покрытия из меди имели толщину около 0.6 мкм, из титана — около 0.7 мкм.

Таблица 1. Характеристики полученных медных покрытий. Обозначения: Ф — алюминиевая фольга; П — полированная алюминиевая пластина; ВЧР — высокочастотный емкостной разряд; ПР — разряд Пеннинга; ИП — ионный пучок

Образец М1 М2 М3 М4 М5 М6 М7

Подложка Ф П Ф П Ф П М1

Метод очистки ИП ИП ВЧР ВЧР ПР ПР Нет

Метод осаждения СМР СМР СМР СМР СИМР СИМР ЖФМР

Температура образца, К 450 450 700 700 350 350 600

Напряжение смещения, В -300 -300 Нет Нет -300 -300 Нет

Толщина покрытия, мкм 1.3 1.3 0.5 0.5 0.6 0.6 3.0

Таблица 2. Характеристики полученных титановых покрытий

Образец Т1 Т2 ТЗ Т4 Т5 Т6

Подложка Ф П Ф П Ф П

Метод очистки ИП ИП ВЧР ВЧР ПР ПР

Метод осаждения СМР СМР СМР СМР СИМР СИМР

Температура образца, К 450 450 800 800 350 350

Напряжение смещения, В -300 -300 Нет Нет -300 -300

Толщина покрытия, мкм 0.8 0.8 0.5 0.5 0.7 0.7

Нанесение покрытий в стационарной МРС с расплавленным катодом. Осаждение медных покрытий в стационарном магнетронном разряде с расплавленным катодом проводилось на установке "ПИНЧ" [13]. В качестве мишени для распыления использовалась медь, размещенная в тигле из тугоплавкого материала, теплоизолированном от магнитной системы и стенок камеры. Покрытия осаждались на образцы из алюминиевой фольги с медными пленкам

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком