Взаимодействие неравновесных электрических разрядов в газах с поверхностью компонентов композиционных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ФОТОЭЛЕКТРОНИКИ

^ ан азербайджанской республики

---

N

На правах рукописи УДК 621.9.048:533.9

курбанов эльчин джалал оглы

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕРАВНОВЕСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ В ГАЗАХ С ПОВЕРХНОСТЬЮ КОМПОНЕНТОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

01.04.04 — физическая электроника

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Баку — 1995

Работа выполнена в ордене Трудового Красного Знамени Институте физики АН Азербайджанской Республики.

Научные руководители:

академик АН Азербайджанской Республики, доктор технических наук, профессор Ч. М. ДЖУВАРЛЫ.

кандидат технических наук Р. Н. МЕХТИЗАДЕ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук М. К. КЕРИМОВ, кандидат физико-математических наук И. С. ГАСАНОВ.

Ведущая организация: Бакинский государственный университет им. М. А. Расул-заде.

Защита состоится « » ,/^/¿^^-¿«Л- 1995 г. в часов на заседании Специализированного совета Н-004.25.01 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Институте фотоэлектроники АН Азербайджанской Республики по адресу: Баку, ул. Ф. Агаева, квартал 555.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института фотоэлектроники АН Азербайджанской Республики.

Автореферат разослан «^3 »

///к/г я^-1995 г.

7

Ученый секретарь Специализированного совет д. ф.-м. н„ профессор

ОЕДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работа. Композиционные материалы, обладая значительно лучшими характеристиками, чем составляющие их компоненты з отдельности, стали вазшта предаетон материаловедения. Разработка и создание новых и совершенствование известных композиционных материалов в настоящее время состоят фактически в решении проблема аеафазных границ, поскольку именно свойствз и характеристики границ раздела определяют работоспособность и качество новых матзриалов. Процесс Формирования мекфазних границ з конкретных технологиях включает в себя активации поверхности их слоев с целью повышения поверхностной энергии или изменения состава этих слоев в заданной направлении.

Б созрзиешшх технологиях используются механические, химические, температурные методы активации, возаоянооти которых практически исчерпаны; к тоиу кв часть хишческих способов небезупречны с экономической точгеи зрения, а термообработка не применима к компонентам о низкой нагревостойкостыо.

Болыаиш' перспективами обладает активация поверхностных слоев электрическими разрядами. Эти способа основаны на целенаправленном использовании электронной и ионной' компонент тока разряда в газе, что в сочетании о воздействием возбужденных атомов или молекул позволяет осуществлять селективное генерирование и подачу на поверхность химически активных газообразных продуктов разряда вместе с электронным воздействием. Прямое использование энергии носителей предопределяет высокую энергетическую эффективность процессов активации, а. сочетание высокой электронной температуры с малым пагревом ионов и нейтралов я неравновесных формах разрядов позволяет проводить активацию материалов с яавткик ограниченней по температуре. Имеющиеся в литературе сведения об увеличении- адгезии полимеров, стекол и других материалов к наносимом после активации покрытиям подтверждают эффективность я перспективность злект-роразрядной активации. Вместе о тем, в литература очень мало данных об активации материалов в диспергированном виде, в том числе волоком и пороаков, хотя высокая удельная поверхность таких материалоз и все более широкое их применение в создании композиционных материалов позволяет считать, что активация таких материалов может резко повысить качество изделий.

Изложенное обуславливает значимость и актуальность исследований по изучению процессов электроразрядной активации материалов сложного состава, в том числе создаваемых с примененной пропитки связующии волоконной основы, поскольку именно состояние иеяфазкой границы "волокно-связуодее" или "композит-покрытие" сильно влияет на качество изделия, в той числе на их поведение в сильных электрических полях.

В диссертационной работе активация электрическими разря-. дами изучается применительно к увеличению поверхностной-энергии волоконных материалов и изделий на их основе, что в практической смысле приводит к увеличении смачиваемости и адгезии на границе.

Работа выполнена в 1990-1994 гг. в рамках основного направления исследовании лаборатории физики и техники высоких напряжений Института Физики АН Азербайджана, состоящего в разработке научных основ управления адгезионными, адсорбционными и электрическими свойствами.кате риалов воздействием сильных электрических полей и разрядов. .

Цель работы. Выявление основных закономерностей воздействия неравновесных электрических разрядов в газах на поверхность компонентов композиционных материалов с волоконный наполнителей и обоснование принципиальных схем и параметров устройств для осуществления электроразрядной модификации.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

- Разработка методики экспериментального изучения электроразрядной активации применительно к волоконный материалам;

- Установление основных физических механизмов активации поверхности промышленных волокон и изделий «а их основе при воздействии неравновесными разрядами;

- Анализ экспериментальных результатов и обоснование вида и ре-нимов электрических разрядов, оптимальных для модификации стекловолокон;

г Изучение влияния активируемого материала на характеристики выбранных видов неравновесных разрядов;

- Разработка принципиальных схем гдектроразрядной модификации поверхности применительно к современной технологии производства стеклопластиков и изделий на их основе, создание и изучение действующего макета, разработка рекомендаций по составу и структуре промышленных устройств,

Объектами исследования били выбраш неравновесные электрические разряда: стекловолокна с тонким слоен замасливателя иа поверхности и эпоксидные композиции. При этом особое внимание уделялось также елиянию обрабатываемых материалов на параметры разрядов.

Изучение поверхностных слоев и структур проводилось путем измерений работы адгезии, методами ПК-спектроскопии, оптической микроскопии, а такае измерением интегральных характеристик экспериментальных образцов (электрической прочности, влаго- и тор-моотойкости).

Наущая новизна.

Установлены основные закономерности влияния диалектричет ских волокон, вводимых в активную зону неравновесных разрядов, на изменение реюшов я характеристик факельного и бар^ряого разрядов.

Показано, что из известных механизмов активации поверхности диэлектриков при воздействии факельного и барьерного разрядов ооновная роль в увеличении поверхностной энергии при активации принадлежи зарядке коипонентов и образовании полярных. групп в вецествэх» образующих поверхностный слой диэлектриков негоиогзнпого соотава.

Предлоаена и проанализирована модель процессов при активации разрядов стекловолокон, организованных в составную структуру' (жгут). Получено аналитическое вырааение, описывавдее смачиваемость связуюааи составной структуры.

Практическая деннооть.

Выявлено, что по комплексу физических мёханизмов оптимальными для активации прошоленных диэлектрических материалов являются барьерный и факельный разряды в воздухе, относящиеся.к разрядам о высокой степенью нерашовесности. На основе анализа физических условий формирования стримера разработана новая схема возбуждения факельного разряда на переменной напряжении, позволяющая значительно уменьшить времена запаздывания.

Разработан способ изготовления отеклоплаогаковых изделий о применением алектроразрядной активации, а также способ и устройство для осуществления активации. Технические решения эащи-цены авторским свидетельство« и патентами.

Основные положбт;я. выносимые на защиту.

I. Возможность уменьшения времен запаздывания при формиро-

ванми факельного разряда в тюздухэ, представляющего собой последовательность катодонаправденных стримеров путей увеличения концентрации носителей заряда в разрядной проыекутке при введении в зону зарогдения стримеров отрицательных ионов. Это позволяет использовать дая активации волоконных материалов устройства "встречного факела" на переменном напряжении.

2. Физические механязкы электроразрядной активации компонентов комлсзицкоаиих диэлектрических материалов не основе стеклопластиков осуществляется через процессы зарядки цоверхностно-го слоя материала в образования в лет полярных групп, что приводит к увеличению поверхностноЛ энергии, от величины которой зависит' смачиваемость и адгезия при последуэдои образовании иеа-фазиых границ.

3. Установлено, что введение диэлектрических тел в диспергированной виде в разрядный промежуток приводит к изменении параметров барьерного и факельного разрядов.

4. Применение последовательного сочетания неравновесных видов разряда-факельного и барьерного'в кислородсодервацей среде обуславливает оптдаальный резким активации стекловолокон о тонким слоен зама олива гелей па поверхности.

5. Способы и устройства для модификации поверхности промышленных стекловолокон и изделий из стеклопластиков на основе волокон и эпоксидного связующего, использование которых повышает электрическую прочность профильных стеклопластиков, сплошность

и адгезии проводящих покрытий на стеклопластике.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы использованы в технологических процессах неталлизацмк отверстий печатных плат в БПО "Радиострое нио",. при проектировании заводской установки для активации поверхности стекловолокон в ггутах при производства профильных стеклопластиков на заводе "Аэер-адектроизолиг", гЛингечаур и при'разработке методов комплексной алектроразрядиой модификации поверхности материалов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах лаборатории ФиТВН ШИ, ва <ьой няучно-техни-ческой конференции "Вакуумные покрытия" в Риге, 1987 г., Всесоюзной школа-семинаре "Электролизичвакио ыотоди кодификации поверхности материалов и их применение в технологических процессах", Одесса, 1988 г., но научных конференциях аспирантов иоло-

дох ученых АзИНХ в Баку, 1990, 1992 гг., на У1-м Всосовзном совещании по электрической обработке материалов, Кишинев,1990г., на Объединенной конференции "Физика и техника конодисперсних оистсм" и "Примензнш злактронно-иогшой щподогаа в народном хозяйства", Москва, 1991 г., а также на нзучно-техни<юскои со-езто завода "Азерэлектроизодит", Мингачаур, 1991-1993 гг.

Публикации» Основное содержание диссертационной работы от-рззепо в II опубликованных работах в иеадународных и республиканских изданиях, одной авторским свидетельстве, двух патентах и отчетах по плановой и хоздоговорные темам Института Физики АН Азербайджана.

Структура и обт.ен» Диссертация состоит из введения, пяти глав, излонения оснозных результатов и выводов, списка использованных источников. Содержит ±49 страниц машинописного текста, 27 рясунп-э; 3 таблиц, список литературы из 107 наи-ыеновзний, к'лвчоя работы автора.

Содаряэние работы.

За введении обоснована актуальность таны диссертации, сформулированы цели и задачи работы, приведены СЕздения о нэуч-ной новизне и практической ценности полученных результатов. Сформулированы положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации и краткое содержание по главам.

Первая глава работы содержит анализ литературных данных об электрических разрядах в газах как средстве активации поверхностных слоев материалов. Рассмотрены основные виды неравновесных электрических разрядов с учетом основных электронных процессов и температур в разрядах, а такие основные механизмы активации различных материалов, в основном применительно к материалам на стекловолокоиной основе. Обоснован выбор со'ьейта исследования. В заключение глава сформулированы конкретные задачи работы.

Во второй главе с учетом свойств объекта исследования описано срдерганис методической части работы.

Описаны известные схемы реализации неравновесных разрядов; отмечено, что оптимизация по виду и режиму используемых электрических разрядов требует подхода, согласованного со свойствами активируемого объекта. Описан способ и прибор для изга-

рзшш работ адгезии по измерениям краевого угла скачивания; прибор создан в лаборатории с участей автора.

Работа адгезии вычислялась по значениям краевого угла смачивания по формуле Дюпре-Юнга

где - угол смачивания, коэффициент поверхностного катя-кения жидкости. В качестве пробных жидкостей использовались дистиллированная вода и эпоксидная смола.

В качестве объекта исследования была выбрана система "неравновесный разряд в воздухе - диэлектрический материал в волоконном исполнении". Обработка образцов проводилась в барьерном и факельном разряде, т.е. в резконеравновеоных видах разряда о температурой газа, близкой к комнатной. Энергии алоктро-нов в таких разрядах составляют от 2 эВ до 15-20 эВ на "хвосте распределения", что соответствует электрошшл температурам от 25Л03К до 250'103К. Для контрольных целей была проведена серия экспериментов по обработке образцов в тлеющем и коронном разрядах. Степень неравновесности в чехле коронного разряда при этом практически та же, что и в барьерном разряде, тлеющий разряд использовался в режимах, где средние энергии электронов в положительном столбе не превышали'нескольких электронвольх, т.е. были значительно ниже, чем'средние и максимальные энергии в барьерном разряде.

В качестве активируемого материала использовались промышленные стекловолокна из алюмоборосиликатного стекла, при этом на поверхности волокон в большинстве случаев' находился тонкий слой "замасливателя", состоящий из парафиновых или политерпено-вых веществ. Парафины представляют собой насыщенные органические соединения., в скелете молекул которых содержатся только простые ординарные связи. Политерпены относятся к ненасыщенным углеводородам с общей формулой (С5Н8)П , где Л^. 2, т.е. в этих соединениях наряду со связями С-С и С-Н присутствуют также двойные связи типа С=С. Процессы, происходящие при активации этих соединений, контролировались по изменению ИК-спектров, при этом ввиду трудности использования волоконной структуры .поведение Зьмасливателей изучалось на плоских моделях; подложка при этом выполнялась из стекла, кремния или фюрпласта. Изые-

рения выполнялись з диапазоне 500-4000 си"*, т.е. в том диапазоне, где колно ояидать появление измененных связей в структуре парафиновых и терпекових соединений.

При изучении активации отдельных компонентов - стекол, эпоксидной смолы - использовались истоды термостимулированной релаксации (TCP), позволяющие обнаружить возникновение заряженного состояния вецества.

Для сравнительного контроля качества изделий, изготовленных из обработанного материала, использовались данные измерений пробивной прочности Кир, влагопоглоцения и термостойкости. Kt;t правило, эти измерения выполнялись по методикам, рекомендуемым ГОСТ; в некоторых случаях использовались дополнительные приемы качественного характера.

В третьей главе излояены результаты исследования иозой схемы осуществления факельного разряда, описана конструкция предложенных йакелооСрззувдих устройств, приведены результаты .изучения влияния волокон в разрядном промежутке на характеристики неравновесных разрядов (фзкельного и барьерного). Представлены результаты изучения воздействия разрядов tía стекловолокно и на компоненты, входящие в состав исходных материалов при производство стеклопластиков, а такяо данные ло активации годового стеклопластика применительно к производству печатных плат.

• Факельный разряд является резконеравновеснш еидом электрического разряда в газах; он существует в полях специальной конфигурации в электроотрицательных газах, т.е. тех-газах, где возмогио прилипание ачектронов о образованием отрицательных ионов и распад последних о освобождением электронов в зоне сильного поля. Физически факельный разряд представляет собой последовательность катодэнаправленних стримеров, каядый длительностью 10~7с, следующих с частотой 10^-10^ Гц. Трансформацию стримера в искру предотвращают включением в цепь тормозящего сопротивления в 2-25 ЫГОм, которое всегда присутствует в схемах факельного разряда. Сяетовое излучение этого разряда в воздухе представлено полосами молекулярного азота при отсутствии сплошного спектра, что соответствует невысокой температуре возбужденных молекул и нейтралов в канале стримера. Времена формирования первого стримера при достижении на промежутке напряжения зажигания могут быть бол ьи им и, до 10~*с, поэтому стабильный факельный

ряд обычно возбуждается на постоянном напряжении. Катод выполняется плоский, а анодом слуяит алектрод с малым радиусом кривизны. Условия по конфигурации поля, необходимые для появления стримера, обеспечиваются расположением вблизи или вокруг анода . диэлектрика. Характерные значения напряжения зажигания 15-30 кВ, средние токи на один факел-сотни микроампер с амплитудами импульсов до единиц-миллиампер.

Так как при активации диэлектриков на постоянном напряжении разряд "запирается" из-за создания на диэлектрике положительного заряДо, то необходимо использование переменного напряжения; этот вариант значительно прост также и в аппаратном оформлении. Поскольку из-за больших "времен запаздывания" факельный разряд на переменном напряжении (в положительный полупериод) очень нестабилен, необходимо было решить задачу по уменьшению времени запаздывания до величин, значительно меньших длительности полупериода переменного напряжения.

При больших временах формирования первого стримера (большие "времена запаздывания") факел возникает не в каждый полоеи-тельный полупериод приложенного напряжения промышленной частоты 50 Гц, даже если амплитуда вдвое превышает напряжение зажигания, измеренное на постоянном напряжении.

Анализ физических процессов, происходящих при формировании стримера, показал, что факельный разряд должен возникать стабильно, т.е. с малым временем запаздывания, если к моменту достижения на электроде напряжения зажигания обеспечить присутствие достаточного количества отрицательных ионов, распад которых создает необходимое количество свободных электронов в гоне сильного поля около электрода. По результатам расчетов конфигурация разрядного промежутка была изменена таким образом,чтобы образование отрицательных ионов было бы обеспечено в отрицательный полупериод (вспышки отрицательной короны или частичных разрядов в газовом клине металл-диэлектрик), а их накопление вблизи анода при возврате осуществлялось бы на поверхности специальной диэлектрической насадки из гидрофобного материала (фторпласта).

В табл.1 приведены экспериментальные данные о максимальных токах одиночного факела, возбуждаемого в факелообразуюсдам устройстве при отсутствии и наличии насадки из фторпласта. В графе I.- даны значения межзлектродвого,расстояния <С , в гра-

фа 2 - максимальные средние токи факела при отсутствии насадки; в графа 3 - токи факела при наличии нг'садки.

Таблица I

I £ ,см 2 ! ( 3! 4 ' 5 6 7

_2_ 3 9О 50 ! 60 55 2«) 300

100 1 65 | 70 70 280 • 400

Из таблицы следует, что применение насадки из гидрофобного ыатериала-фторплаота повышает верхнюю границу существования устойчивого факельного разряда-графа 3. Эксперименты также показали, что при оптимальном сочетании радиусов закругления анода " с конфигурацией и материалом диэлектрической насадки времена запаздывания становятся менее 015«Ю~3р, что позволяет-обеспечить стабильное зажигание факела в каждый положительный полупериод промышленного напряжения о длительностью полупериода Способ электроразрядкой активации о применением стабильного факельного разряда и соответствующие варианты выполнения факелооб-разувцего устройства, защищены авторским свидетельством и патентом.'

При активации- промышленных стекловолокон, организованных в жгуты (розинги), их расположение на-плоском катоде, приводит к тому, что процессы активации идут только со стороны жгута, обращенной к факелообразущему устройству, к тому же при использовании переменного напряжения рктивация происходит только половицу реального времени. В связи с этим была предложена, разработана и изучена новая конфигурация разрядного промежутка, обеспечивающая более полную активацию жгутов из диэлектрических волокон при сокращении расходе времени на обработку. Физически сущность этой схемы состоит в использовании "встречного факельного разряда". Разрядный промежуток при этом образуется по крайней мере двумя факелообразуввдмц. устройствами, без использования плоских катодов. Активируемые стекловолокна располагаются при этом примерно посередине между устройствами; при приложении переменного напряжения жгут попеременно подвергается воздействиь двух разных факельных разрядов, чередующихся с- удвоенной часто-

той. При этом также оказалось, что улучшаются условия по генерации отрицательных ионов, что обеспечивает уменьшение времен запаздывания до. величин, меньших Ю"5с. Вто открывает дополнительные возможности для использования в активирующих уотройст- . вах знакопеременного напряжения с повышенной чаототой (доЮкП;).

Неравновесные разряды, в том числе факельный и барьерный, очень чувствительны к введению в газоразрядный промежуток диэлектрических материалов, поскольку осавденио зарядов на маге-риале способно сильно изменить распределение напряженности олэ-ктричеокого поля по сравнению с исходным.

Зарождение стримера в факельном разряде происходит в зэ- -не сверхвысокой напряженности поля, поэтому введение несплошного диэлектрика з промежуток на удалении от аоиы формирования должна слабо влиять на такие характеристики факельного разряда, как напряжение зажигания, время запаздывания и устойчивость факельного разряда. Прямые эксперименты подтвердили это положение. В то же время наличие диэлектрических твердых структур может оказать заметное влияние на ток разряда и на длину распространения стримеров вглубь промежутка.

Серия экспериментов при варьировании длины промежутка, местоположения стекловолокон, величины тормозящего сопротивления (т.е. скорости поступления анергии р канал) показала, что осаждение заряда на волокнах при больших длинах промежутка и высоком значении сопротивления тормозит ("запирает") проникновение стримеров на полную длину промежутка.

Оптимальные условия в лабораторных экспериментах были ' подобраны опытным путем. . '

Барьерный разряд существует в газовых промежутках, ограниченных о одной или двух сторон твердым диэлектриком с очень малой активной проводимостью. Диэлектрик слунит барьером, ог-. раничиваюпдо ток разряда и пропятатвущим его локализации в одном канале. Физически барьерный разряд представляет собой мно-. голавинный процесс, развивающийся на малых расстояниях в электрических полях высокой напрпаенности, т.е. является неравновесным разрядом с преимущественным вкладом энергия в активационныз механизмы. Барьерный разряд существует только на переменном .. напряжении. Поскольку разряд развивается с диэлектрической поверхности, то ожидалось, что введение диэлектрических тел в газовый .промежуток не внесет качественных изменений. Теория

барьерного разряда развита хоропо, поэтому заранео можно было предсказать, что в присутствии волохон изменяются количественные характеристики: напряжение зажигания, величина тока разряда и распределение тока по поверхности.

Таблица 2

Vi\ КВ { I 2 3 4 5 6 ---------- 7 8

г, ыкА, ! 2 5 б 8 10 II 12 32

У* • мк4 ^ 5 7 10 12 18 .25 38 50

В табл.2 приведены экспериментальные дачные о токах барьерного разряда в зависимости от приложенного напряжения при наличии (графа 3) и отсутствии (графа 2) в газовом промежутка стекловолокон. Изучение экспериментальных вольтампорных характеристик показало, что напряжение зажигания снижается, начальная часть БАХ растягивается, т.к. физически введение этута волокон означает случайное изменение толцин газового зазора. Тон барьерного разряда при наличии волокон в®е, чем ток з таким же промежутке без волокон, при этом ток при введении в промежуток жгута распученных волокон выше, чем при наличии тех же волокоп, собранных в нгут. В диссертации описана физическая модель реактора барьерного разряда, на основания которой получено выражение для значений напряжения зажигания разряда. 2

из тт = )

где 6 -диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала (принята равной £ барьера), А=30 кВ/см, В=1,35 кВ - постоянные, известные из закона Паиенэ для малых промежутков, с/а -меа-электродноо расстояние. Давление воздуха принято равным атмосферному. С учетом влияния диэлектрического барьера показано, что уровень рабочего напряжения устройств для активации волоконных материалов должен быть максимально-высотам, на пределе того, что допускают электрические характеристики барьера. Этот вывод подтвержден экспериментальными даннши, а выведенная формула положена в основу расчетов реакторов барьерного разряда для активации 'промыоленных волокон.

Воздействие разрядов на стекловолокна. Рязхко-яшческап активация поверхностного слоя стекловолокон зависит от характера воздействия разряда, расположения объекта в разрядной зоне и времени контакта.

При однофакельиой схеме с плоским катодом из-за зарядки волокон ыонополярныц зарядом нити в жгуте прижимаются электростатическими силами к поверхности га года; при этом отмечается некоторое распушение жгута. Более благоприятным для активации является положение жгута в середине промежутка при встречно-факельной схеме организации разряда. Наряду с распушением,обусловленный действием электростатических сил, наблюдаются интенсивные поперечные колебания нитей и отдельных волокон как при статическом положении жгута в промезутке, так и при его протяжке. Колебания способствуют распущенно жгута и более полной активации поверхности, что в технологическом смысле является положительным явлением.

Барьерный разряд возбуждался в промежутках, ограниченных диэлектриком с двух (оишетричная система) или с одной стороны (несимметричная система). При несимметричной системе из-за явления контактной зарядки на металлическом электроде волокна отжимались электростатическими силами в диэлектрическому барьеру, что вызывало уменьшение эффекта активации. Для удержания волокна в центра промежутка и его полной активации на диэлектрических барьерах использовались прокладки.

Интегральный эффект злектрораарядной активации стекловолокон устанавливался нами путем измерения некоторых параметров готовых изделий. В самом общем случае активация поверхности стекловолокон непосредственно перед их пропиткой связующим Iэпоксидной смолой) и последующей полимеризацией приводит к двум эффектам; более полному сиачиванип поверхности связующим и более высокой адгезии на межфазной границе волокно-связующее. В связи о этим в ориентированных стеклопластиках! например, в стержнях с продольным расположением волокон, уменьшаете» вероятность образования продольных капиллярных пор. Этот эффект приводит к уменьшении влагопоглощения и увеличению электрической прочнооти в продольном направлении. Контрольные измерения показали, что в результате комбинированной обработки стекловолокон факельным и барьерным разрядом влагопоглощениа.образцов уменьшилось о 0,8% (среднее значение дяя 10 образцов) до 0,32$

со значительным уивньпением разброса; (для контрольных 0,45-I,35JS для обработашшх 0,27^-0,3?, образцы с незащищенными торцами). Соответственно, напряжения электрического пробоя вдоль волокон, определенные по ГОСТу для' стеряней диаметром 10 ми и длиной 10 т составили для коптрольних образцоз 18 кВ (среднее значение), а для образцов из обработанных стекловолокон - 33,2 кВ. Значение пробивного напряжения в обоих случаях намного нияе тзх, которые характерны для гомогенных стекол и эпоксидных компаундов; это означает, что пробой идет по менфазньк границам едоль поверхности волокон. Наряду с повышением средних значений, как и в случае водопоглощения,для обработанных образцов рззброс значений меньше. Для.образцов из стекловолокон, обработанных одним видом разряда, т.е. лиоо Факельным, либо только барьерным такне отмечено улучшение по влагопоглощению' и электрической прочности, но оьи меньше, чем при последовательном воздействии разрядов. На термостойкость образцов активация влияния не оказывает.

Интегральные характеристики дают лишь общее представление, поэтому была проведено изучение активационного эффекта по компонентам.

Как отмечено в гл.1, обработка электрическими разрядами стекол изучалась многими исследователями; для воздействия неравновесных разрядов в воздухе увеличение работы адгезии, установленное через уменьшение краевого угла смачивания, в основном связывается с очисткой поверхности путей замены адсор-. бированного слоя о Для стекол различных марок было установлено, что после тщательной очистки их без использования электрического разряда краевые углы смачивания составляет 25-30°, а после воздействия разрядами в воздухе углы равны 12°-15°, при этом значения в & 20°-25° восстанавливаются через 5-15 мин пребывания в атмосфере. Длительные выдержки под разрядом образцов стекол трех марок, в том числе алшоборосиликатного, к появлению сигнала TCP не привели. Следовательно, в данном случае налицо только поверхностная зарядка поверхности слабосэя-эанными конамив без внедрения заряда в структуру стекла.

В то ае время обработка стекол в отрицательном коронном разряде и в барьерном разряде в воздухе дает некоторое увеличение работы адгезии, сохраняющееся длительное время (более

'5 суток). Контрольные эксперименты по нанесению но мое стекла металлических покрытий показали Солее високуа адгезию металлической пленки.-Этот эффект следует видимо отнести за счет насыщения поверхностного слоя стекла нестехиоцетрическим кислородом, поступавшим на поверхность из разряда в виде молекулярных к атомарных ионов кислорода.

При изготовлении стекловолокон на поверхность каждого из них наносится тонкий слой вещества на основе парафиновых или политерпеповых соединений ("замасливатели"); наличие этого слоя обязательно на всех прошзленных стекловолокнах для предотвращения хрупких изломов. Парафиновые и политерпаиовыз соединения в основной относятся к неполяриш веществам и обладают малыми поверхностными энергиями, т.е. плохо смачиваются связующим, образуя с ним границу со слабой адгезией. Поэтому активация вещества "замасливателей" очеиь важна для промышленности.

Поведение парафиновых и политерпеновых заиаслпвателей при воздействии на них факельного и барьерного разрядов изучалось на моделях, т.к. и измерения краевого угла смачивания, и снятие ИК-спектров и спектров в видимой области затруднительно. Подели представляли собой плоские хорошо очищенные стекла, на поверхность которых наносились изучаемые вещества с последующей их обработкой в электрических разрядах. При измерениях краевых углов смачивания в качестве.испытательных жидкостей использовались вода и эпоксидная смола.

Экспериментальные данные, полученные при различных временах обработки, показывают, что работа адгезии значительно увеличивав «я. С увеличением времени обработки углы смачивания снижаются до 25-30°, т.е. тех значений,которые характерны для подложек. Это означает, что "вредное" влияние промежуточного слоя замасливателя на состояние межфазной границы "стекло-связующее" монет быть ликвидировано активацией в неравновесных разрядах.

Практически все кривые' зависимости угле смачивания от времени при равличннх режимах имеют вид кривой о насыщением. По этим кривым определялось необходимое для полной активации время обработки, которое для парафиновых и политерпеновых эа-маоливателей ооставляло от 20 сек до 60 сек. при токах разря-

да, вполне достижимых в производственных условиях. Наряду с этим отмечено, что кривыо кинетики активации в барьерном разряде выходят на насыщение, когда суммарное количество ионов, поступающих из разряда на поверхность, составляет величину 10 -10 ионов на I см^ площади диэлектрика. Эта цифра позволяет величину токов и значения времеи обработки, необходимых для проведения активации.

ИК - спектры снимались о использованием подложек из кремния и фторлласта. По сравнению с исходными, в ИК - спектрах обработанных разрядами образцов отмечено появление широкой полосы в диапазона 35CQ-3200 см с максимумом около 3№0 см"*, а также пиков при 2180 см-1 и 1710 см"1. На отдельных спектрах для вещества на основе парафинов отмечено танке сдвиги пиков при 2930 см"1, 2860 см-1, 2380 см"1 и 2360 см-1. Анализ спектров показал, что при обработке повышается гидрофильность поверхности, а также появление связей углерод-кислород, т.е. окисление поверхности. В видимой области спектра (СФ-26) особенностей в пропускании света не установлено.

Изучение процесса активации эпоксидного отвержденного связующего проводилось на пластиках. При изучении спектров TCP электроды из алшлния наносились методом тармораспылеиая. Эксперименты показали, что плотность заряда составляет величину около 10"® кл/см^ это означает, что в увеличении адгезии эпоксидного связующего после воздействия факельного разрлдз заметный вклад может вносить электростатическая составляющая, возникающая при внедрении заряда.

При исследовании ИК - спектров образцов эпоксидного связующего, изготовленных из порошка, снятого с обработанной поверхности отмечено появление полос I5W см"1 и 1520 см"1, а такие усиления поглощения в области 1360 см"1 - 1450 см, что связано с появлением — С^он • 0-С=С-0 групп на поверхности эпоксидного связующего. В некоторых случаях после обработки эпоксидного связующего по ИК-спектрам установлено появление дополнительных feo связей и групп - С—A/0¿ .

Для композиций стекловолокно - овязующее поело их обработки обнаружено увеличение интенсивности поглощения в об-лаоти II00-I050 он"1, что иохет быть овязапо с окислением поверхности стеш^волсжон, в результате чего усиливаются сигнал!» Si-0-Si и Si-0 связей.

Гаким образом, экспериментальные данкнз подтверждаю? гг-яг:чие сильного влияния алектроразрядной обработка, также; воз-иогаость активации поверхности через разлпчниз физико-химические механизмы. Реализация мехэкизког зависит ст свойств активируемого вещества; при этом процессы активации можно рзгу-лировахь путем изменения параметров электрического разряда, применением различных его видов или комбинаций с учетом свойств поверхностного слоя к конкретных задач.

■ В четвертой главе обсуждаются эксперименты по изучению механизмов а-.зктроразрядной активации и вопросы оптимизации системы"неравяовесный электрический разряд - активируемый материал" применительно к активации стекловолокон к изделий из них.

При воздействии барьерного и факельного разрядов в воздухе на чистое стекло происходит замена адсорбированного слоя на поверхности с насыщением поверхностного слоя несгехиоиетри-ческиа кислородом. Зарядка материала в этом случае маловероятна, возможно лишь образование слоя зарядов из ионов, находящихся в адсорбированном слое. Следовательно, смачиваемость стекла может быть увеличена линь на короткое время существования поверхностных зарядов. Работа адгезии чистых стекол.может быть увеличена по отношению к контакту с веществами, способными образовывать химические связи с нестехиометрическим кислородом, к ним относятся атомы металлов при напылении покрытий и некоторые функциональные группы, имеющиеся в составе неотвержденного эпоксидного компаунда (т.е. свекоприготовленной снеси эпоксидной смолы с отвердителем и пластифицирующими добагками). Ресурсы системы "разряд-стекло" в смысле повы-иаиия адгезии состоят либо в дополнительном использовании сильных полей для стимуляции электродиффузии кислородных ионов, . либо в создании микрошероховатости, для чего з разряде нужна генерация окислителя, более активкого, чем атомарный кислород.

Если поверхность стекла (стекловолокон) покрыта слсоа вещества на основе парафиновых или политерпеновых соединений (промышленные "замасливатели"), то процессы.активации в неразновесных разрядах прежде всего связаны о химической модификацией поверхностного слоя, т.е. образованием полярных групп. Идентификация ЕХ-спектров показала, что возникновение сгроксй

паюон о максшумоа при 3400 си"*, обычно относимой на счет ' гидрокетльно« группа ОЯ, соответствует повынению гидрофильнос-ти поверхности. Пики вблизи 17X0 см"* соответствуют появлению или усилении связей С=0, т.е. присоединении кислорода. Пик 2180 см"* однозначно не идентифицируется, эти частоты характерны для связей Si—Н или CsH ; образование послед-, них возмояно в углеводородных цепях ара наличии ионов . присутствующих в неравновесных разрядах в воздухе.Сдвиги пиков 2930 си"* и 2860 см~* соответствуют изменению интенсивности валентных колебаний С-Н в группах Cffg и изменению работы аугезии практически не касаются.

Следовательно, в процессе активации замасливателай наи-.более действенны процессы окисления, т.к. образующиеся кислородсодержащие группы, как правило, сильнополярны в независи- . мости от конкретного вида углеводородной основы замасливателя. Для промежуточных слоез других составов монет оказаться перспективным путь о использованием окислов азота, генорируемьк в разряда в воздухе.

Активация готового стеклопластика в технологии существенна при нанесении металлических покрытий, напр., в производстве печатных плат. Из анализа данных по ИК - спектрам и по TCP следует, что активация отвержденного эпоксидного компаунда в основном протекает через два механизма: образование полярных групп о участием кислорода .и окислов азота и.через создание в веществе зарядового состояния. Следовательно, при металлизации, например, внутренней поверхности отверстий в печатных . платах активация поверхностного слоя иожззг включать в себя и активацию стекла (сколов волокон) через внедрение нестехиомет-ричеокого кислорода, и активацию отвержденного эпоксидного связующего с участием вышеописанных механизмов.

Для реализации этих механизмов в разрядном промежутке должны быть созданы соответствующие условия. Подход к оптимизации устройств барьерного разряда изложен в гл.З; соответствующие разработки были выполнены о опорой на хорошо развитую теорию этого вида разряда. При активации факельным разрядом оставалоя неясным экспериментальный факт, состоящий в том, что при увеличении межэлектродного расстояния при высоких значениях тормозящего сопротивления ввод стекловолокон

- го -

.резко снижал ток разряда; соответственно, активация яри этом требовала очень больших времен, а при разработке опытных установок оптимальное расстояние определялось опытным подбором.

Для реиения этого вопроса, т.е. оптимизации системы "разряд-материал'1 был проводеи анализ всего комплекса условий. При больших сопротивлениях во время развития стримера вглубь промежутка практически не происходит подпитки энергией канала стримера, т.к. время развития стримера составляет величину 10~7 - 10"®с, а постоянная времени подзарядки Ю^с. Физически это означает, что при наличии заряда на волокнах его противополе может "остановить" стрикер до его кс-сания катода или материала. Торможение стримеров внешне проявляется кэк уменьшение тока разряда. Для модели с распололени ей волокон на катоде величина заряда, накапливаемого на волокнах, не зависит от расстояния. Если смоделировать острие факелообразущего устройства гиперболоидом вращения, то для поля на центральной силовой линии моано получить:

г,т,- Vе . *

где £ - текущая координата £ - ыегэлекгродноз

расстояние, (/- напряжение, радиус кривизны при вершине гиперболоида. С учетом того, что на катода, расчетная Формула была протабулирована для различных значений £ . Ток, при £ =3,5 см и ££=24 кВ, £ =7,5 см, Уг =28 кВ, разность нап-рякенностей поля оказалась равной 1,6 кВ/са.

Из расчетов следовало, что тормозение стримера зарядом на волокнах должно сказываться при иапрякенностях кенее ■ 2-2,5 кВ/см, что в реальных факельных промежутках соответствует расстоянием 4-6 см. Зти же значения были получены и при . подборе. Проведенные расчеты, подтвервденние в эксперименте, были использованы при разработке опытно-промышленных действующих макетов алектроразрядной активации.

Был проанализирован также процесс смачивания связующим активированного материала при различных конфигурациях организации волокон в жгут. Общее условие равновесия в системе гид-кость - газ - твердое тело записываемся в виде

'. ¡т ~ 0

1\

где Д<,- вариация смещения жидкости, й& - изменение свободной поверхностной энергии, определяемой как: .

где X " коэффициент аероховатооти, ¿С - позерхностное» натяжение, а символы Я ,V, Ь относятся к твердому телу, газу и жидкости соответственно.

Для шероховатой поверхности жгута из стекловолокон коэффициент аероховатооти '£>;/, а измеряемый в эксперименте кажуцийся угол смачивания связан о истинных углом, возгиказдеи при затекании жидкости в "углубление", соотношением:

Зля различных моделей составной поверхности, т.е. поверхности жгута из стекловолокон, были получены выражения, связывающие истинный угол смачивания отдельного волокна о кажущимся утлой смачивания составной поверхности. Например, оря . расположении волокон в кгутэ в виде квадратной сетки сочений, получено: Л „ .

где Э - в радианах, а О^ - истинный угол омачивания. Иа формуле следует, что угол смачивания составной поверхности изменяется более сильно, чей . Так, при изменении &£ от 30° до 60° угол 0С изменяется от Р 30° до 110°. Физически.смачивание определяет эффективность пропитки. Следовательно, активация поверхности стекловолокон, уменьшая и истинный угол смачивания, и угол смачивания составной поверхности, означает; резкое изменение свойств составной поверхности, обеспечивая более благоприятные условия для пропитки стекловолокоиннх жгутов.

В главе пятой проводится анализ включения злектрорззряд-ной активации в технологию стеклопластиковых производств, формулируются основные рекомендации, вытекающие из проведенных исследований, и описываются схемы опытно-промышленных установок для активации стекловолокон при производстве профильных стеклопластиков и активации внутренней поверхности отверстий

в стеклопластиковах заготовках печатных плат.

Из-за температурных ограничений по термостойкости замасливатели на стекловолокнах и эпоксидных компаундах, для активации компонентов стеклопластиков и изделий из них применимы только неравновесные виды электрических разрядов, при этом потери энергии на пути ее преобразования в свободную энергию поверхностного слоя будут наименьшими. Ввиду необходимости активации больших объемов, оптимальным является использование.-:фа-• кельного и барьерного разрядов по отдельности или с последовательным'применением обоих в одной технологической схеме. Реакторы факельного разряда целесообразно выполнять по встречно-факельной охема; число таких модулей определяется конкретной задачей и объемом активизируемых материалов. Реакторы барьерного разряда должны выполняться по несимметричной схеме с принятием мер по предотвращению электростатического прилипания волокон к даэлектрическому барьеру.

. На основе' проведанных исследований с участием автора разработаны действующие макеты опытно-промышленных установок для активации стекловолокон при производстве профилышх стек-' лопластиков и для активации внутренней поверхности отверстий в печатных платах. Оба макета успешно прешли заводские испытания в составе заводских линий-на заводе "Ааерзлектроизолит" и ' в ЕЛО "Радиострозние". •

Установка для активации стекловолокон состоит из блока факельного разряда, блока барьерного разряда; источников питаний, схем управления и измерений, средств обеспечения правил техники безопасности, При контрольных испытаниях на профильных стеклопластиках различных диаметров эффект активации привел к снижению вдагопоглощеьия изделий в 2,5-3 раза и повышению .электрической прочности ¡вдоль волокон на 30-70%, при значительном уменьшении разброса "этих характеристик. Способ производства стеклопластиков с применением активации факельный и/или/ барьерным разрядом защищен патентом.

Установка для активации поверхности отверстий в печатных платах, состоит из модуля факельного разряда в системе фа-кел-плоокость, механизма перемещения обрабатываемой платы, блока питания, схем управления в средств ТБ„ При контрольных испытаниях при производство ивонаэнпжмшк и® комплояза "Корвет'1

брак по "неметаллизации" отверстий уменьшен с 1%-Щ до нуля. ■ Факелообразующее устройств, способ электроразрядной обработки материалов и устройство для его осуществления, а также способ изготовления электроизоляционных стеклопластикознх изделий защищены авторским свидетельством и патентами.

Основные результаты и выводы:

1. Установлено, что активация компонентов стеклопластиков протекает с участием различных механизмов. Активация тонкого слоя на поверхности промышленных стекловолокон, состоящего из парафиновых и политерпеновых соединений, связана о окислением поверхности продуктами разряда я появлением кислородсодержащих полярных групп в составе поворхностного слоя; отвзряденг.'ый эпоксидный компаунд активируется через появление з нем полярных групп и образование объемного заряда.

2. Быявлены основные физические механизмы электроразрядной активации внутренней поверхности отверстий стеклопластиковнх плат. Показано, что при обработке факельным разрядом в воздухе основная роль в увеличении поверхностной энергии принадлежи инициируемым разрядами зарядке материала связующе-. го и появлению в структуре стекла нестехиометрического кислорода.

3. Показано, что оптимальные условия для активации несплопных диэлектрических материалов создаются в таких гидах неравновесных разрядов в газах,'как барьерный и факельный, тдд высокие напряженности электрического поля и сильный отрыв электронной температура от температуры ионов'и нейтралов обеспечивает генерацию химически активных продуктов за счет энергии электрического поля непосредственно вблизи активируемой поверхности.

На основе уточнения физических механизмов формирования стримерных форм электрического разряда в воздухе обоснована и разработана новая схема возбуждения факельного разряда на переменном напряжении, путем введения в зону зарождения стримера отрицательных ионов, обеспечивавших уменьшение времени запаздывания и, как следствие, стабильное зажигание разряда в каждый положительный полупериод. 5. Показано, что факельный разряд как средство активации наиболее эффективен при его реализации во встречйо-факельноЯ

. cxaue, а барьерный- в несимметричной схеме.

6. Установлены закономерности влияния диэлектрических тел, вводимых в разрядный промежуток, на формирование и.характеристики факельного и барьерного разрядов. Показано, что изменения токов разрядов при наличии в промежутке стеклово-

* локса вызваны перераспределением ионизационных яглений в

• ней.

7. Разработаны и созданы действующ» макеты устройств алектро-разрядной активации стекловолокон в вгутах к поверхности

' отверстий в печатных плахах из фодьгированногэ стеклотекстолита, которые испытаны на заводе "Азерзлектроизолиг" и в БПО "Редиостроенис". Способ и устройство аацищены авторский свидетельством и патентами. Разработан и передан на реализацию рабочий проект установки для активации стекловолокон воздействием влектричзских разрядов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях;

1. Ч.М.ДЕуварлы, И.В.Горан, Э .2 .К урбанов, ОД ЛСулахметов, Комплексная алектроразрядцая кодификация поверхности из терта- . лов. Тез.докл. 4-ой научно-технической конференция "Вакуунние-покрытия-87". Рига, IS87, ч.2, с.62. .

2. Ю.В.Горин, Ф.ХЛулахшзтсв, Э.Д .К урбанов, Модификация поверхности материалов в факельной разряде на переменном напряжении, Известия АН Азерб.реск., 1990, т.П, ü 2, с.23-25.

3. Ю.В.Горин, Р.Н.1!ехгизаде, Ф.Х.Кулахметов, Э.Д.Курганов. Модификация поверхности композиционных материалов в факельном развддо. Теэ.докл.5 Бсосоюзн.совещания по электрической обработке материалов. Кишинев. 1990, с.261.

.Ю.В.Горин, Р.НЛехтизадз, ФД.Кулахиетов, Э.Д.Курба-нов, А Л. Герасимов. Модификация„поверхности композиционных материалов в факельном разряде. Электронная обработка материалов, 1991, № 3, 0.48-S2.

5. Ю.В.Горин, Ф.ХДулахметов, Э.В.К урбанов, А.А.Медэдов, Л.Н.Юзбашова. Электрода зря дна я модификация поверхности углепластиков. Доклады АН Азерб.респ., 1991, тА7, с.34-37.

6. 3 ,Д.Курбанов. Активация поверхности диэлектриков электрическими разрядами. Тез.докл. Научно-технической кои» Ференции молодых ученых-£аспираятов и студентов). Баку,1991

7. Ю.В.Гории, Ф.Х.йулвзшэгов, ЭД.Курбвнов., Влияние диэлокгриЧэошйс волокон ив характеристики барьерного разряда, Влзитролнзя обработке материалов, 1993, fó б, с.24-26.

8. Ч.МДяувзрлн, Е.ВДмитриев,• Ю.В.Горни, ЭД.Курбвноз и др. Устройство для осуществления факельного разряда.

А.о. й 1751826, 1992.

9. Ч.Ц.Даувврлы, Е.ВДмитриоз, Ю.В.Горин, ЭД.Курбенов

и др. Способ изготовления электроизоляционных стеклопластике-.' в их изделий. H8I8HI К» 1807992, 1992.

10. Ч.йДаувврлы, В .В Дмитриев, Ю.В.Горив, Э.Д.Курба-нов и др. Способ элэктроразрядной обработки материалов и уог-ройсгво для его осущесгвлония. Положительное решепиэ нэ пагенг ц 5009479/21, 1992.

11, Р.Н.Изхтизадз, ВД.Курбанов, И.Й.Рагимов, К.Х.Дяа-лалов. Влияние диэлектрических волокон на характеристики факельного разряда. Доклады АН Азерб.ресл., серия физ.-мат.н. 1994. Т.50, № 10-12, о. 10-15.

. 12.Э.Д.Абдуллзев, К.Б.Курбанов, Э.Д.Курбэнов, Ф.Т.Рзаев. Термическая релаксация заряда в пленке ПБДФ со сферическими включениями из силикзгеля. Сборник статей по электрофизике и, электроэнергетике, выл.4, Баку, 1994, с.30-38.

13. К.Х.Джэлалов, Э.Д.Курбанов, Ф.Х.Кулахмагов, Р.Н.Нзх-тизаде. Реакторы барьерного разряда для активации диэлектрического волоконного материала. Сборник статей пс электрофизике и электроэнергетике, вып.4, Баку, 1994, с.48-53.

14. Ю.В.Горин, Э.Д.Курбанов, К.ХДхалалов, Ф.Х.Кулэхмэ-тов, Р.Н.Мехтизаде, И.Й.Рагимов. Влияние воздействия электрического разряда на изменение водопогловдния армироввнных композиционных материалов. Сборник статей по электрофизике и электроэнергетике, вып.4, 1994, с.58-60.

X Y Л А С ?

Диссертанта иаикцз цолцуручуларк о лап кокпозиси,1алы vare-риалларыи илкин тзихил ецичиларини аетивлзшциртак ютсэцилэ reip;t-тараз електрик гаэбозалмаларшгын этрафла тэдгигати апарилмнзцар.

Го1ри-тараэ електрик газбовалкаларкнын хгсуск,1;этлгр!г тэцгиг едилэрэк, окларца mymkyh олан етементар физики просеслрр, електро-иэнфи газларца електрик газбоиадмасьшш стример ¡гзклинцз 1а-)штаси~ fibiif физики гакунауЗгутмугларышм цэгиглэицирилуинцир. 1Ь'(Пэл скжилл;. газбошалмаларшшн аяшка Ьалшгч еабитлршдирмрк уччн гачбоаалмзды ■чралысына узнфи ионларкн дахил ецилызси усулларыиын таклкф ецилизси зэ вДрэпялцгси, газбошалмаси аралы^ька цахкп ещтят циелектрин гатериалларий газбозалмасшш хассзлэрилз та'скри киуь ыуЬуу »зеэлэ-:лзрэ дэ бахылмшдыр.

Електрик газбспалмасц гурруларында електрик саЬасиним енвр-гкнниь акткзлридирдлвн материалларын езтЬ тгбэгзлзришш сзрбдст спертасинэ чеврилыэмнин г$изкки-ккм,1рви уеханизми «Ирэнилмикдир.

Тзчрубк олараг, mys^sh едгашгшцкр ки, шгшр ла1ларш тг>яжкл-сцичиляринин активлйппирилмрси мтхтэлкф геханкзмзрлз алагэдар олур. Озлэ ки, шуяэ лкфяррин сзтЬиндзки наэих ,1а^ла^цчн трбэгзнин атстив-лэшцирилмрси, газ б охалмасыш г, тэ'сиринцэн сгтЬи оксидлэемзси в я сатЬи оксидлэямгси вэ сэтЬи тзбггздэ окскпен бирлрЕУзлк пол.1ар гру:;-ларын вм?лэ кзлкаси иле олагэдар олур. Бэр-с Ьалда олан епокепц гзтр« нын активлзпцирилмэси материалда гизлэ кзлзн пол.1яр грушгар вэ Чячк;, ^уклврлр мгвЗДэнлэшдирилир. Е1уяэ ла^ларш срхЬклл уй'шзлчезкилли епзктрик газбовммасы васкгрсил» ктлзцикцр.сэтЬ енертасиник пртуасьГ датериалларын електрик Дуклврч илэ ,-)укл?нмаси вз тзркиблэркнэ rejpn-баглы оксикенин цахил олуямаси илэ изah ецилкр.

Квстэрилмишцир ки. газболалмасы аралыынца еуий лифлзр ¿ер-лзшцирилмэкцз. богаалма чзрэ,1аншшн ги;)мртинин цз^иямзси ионлыша просеслэркнин паЗланмасютын цй^ишмаси илз элагацар олур.

Шушз xHfJipp топлусунун електрик газботалмасынын тз'сири ва-ситрсилз активлршцирилмдсинин vor4e-m тзклиф едилмишцир.

Шушр лифлррин рр иугсз ла^ларнн електрик газбошалмасы е&си-тясилэ активлрапир^рк учун гур^уларш иадая макетлари кшлрнилиб, hазчрладами в? "Аз?реле1:троизол)гг" вэ "Радиоисте^салы" БВ цр сы-нагпаи ксчириль'и-апир. Иллашпст усуллар яэ гурпулар муэллифлик шв^а-цэгнанллари bp патент васитзсил» мудафир едил»/китир.

Jlf

A a 8 e A C 2

u;£mc!iio3 op im&itfihizriicu ixxa-mxc discharges va?a

CCUPCKKIS OP COEFOSIIS wViiRIAL. Iha presented dissertation reflects a uoroplesc of investigations concerning capabilities of noneruixibriua electric diDBh .r^ee in gasee to activste initially coopoaenta of co.-jpcaite zwfccriale •■.itii fiber iiller. In correction vith till a characteristics of nonequilibriun eleci-ria diecharges and baoio physical processes on t^ea have beon anallzci. Physical ffieohanlsaa Of streamers toraation have teen punctuated and nuooelaaeoua nathoda of negative iona Injcation into gaseous. gap hava been contrived and studied with respect to stcble torch discharge initiation attalnissnt.She effect of dielectrics on electric discharge characteristics hoe been etudied.Physical and cheaic^l aechini833 of the electric field energy transformation into free energy of surface, layer of activated naterialo liavo been studied.

It has been established experimentally that activation of glasa reinforced plastics takes place due to various mechanises.Activation of thin layer of oil oa the surface of glae.n fibres is connected with cri-daticn of the surface due to action of discharge produce and eaergencn of ©xygeu containing poiar groups constituting surface layer.Hardened epoxy coajound is activated through polar groups eaerging in it and Bpace charge Xoroatiou.lt hae been astablished that glaea reinforced plaatiaa treatraant b/ torch oischarge initiated la the air leada to tuo surface energy increase due to binding material charging and emergence of nonstoichiometric or.ygen in the glaea structure.

She regularities of the influence of dielnctrics intradtd into discharge gap on the electrio discharge characteristics have'been established, It has been ehovm that discharge current changes are caused in this case by redistribution of ionization phenomena in the gap.

She aodel of preceases taking place during activation of glass fibres of complex structure by electric discharge ha3 been suggested and analized. the analltic expression discribing wettability of eooplex structure by binder have been obtained.

Effective models' of devices implementing electrodischarge activation of glass fibres in bundles and surfaces of. holes in printed circuit) boards Baae fro» foil glass cloth,taee laatlmte have been developed an»} created. Thrso devices have been tested in different industrial plants Shvo patents have been obtained. She detail deeing of the :.c:iv viler, device 'for glsas fibres by neana of eleotrlc discharge treatsent have been derepoled.

ARA-ЕШЯ ИШ A3CPSA ГШШ ОРДЕНА ЛЕДОВОГО КРАСНОГО ЗНАНИЙ п стйтут сйэш í .ьлбдзялаэзэ

62 11/68

куршов шп тш оглы

язайютйяие пттоввстх эжгеичвст разрядов в газах с пожркностью вшсхшига ксшоашжжшк иатгршов

01. - ШЮТвОНВв зяогггронша

88 ооаоаашю ^ionofl OWÜMI кэндидА-го лоиÏÎO-Ш ямшятоких надо

äOi&op оохвтвшв изуа»

f* г»

v и

i эушшо руководя» ли s СШДОШК АН А зарС.Росл«t

- .в

эвдда*: зучи ь со TI дат ;f

КаЯДИДв! ТОЮШЮСКЙХ наук

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................. 4

ГЛАВА 2« ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ КАК СРЕДСТВО

АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ XI

ХД. Возможности элоктроразрядно*! активации и ее

технологические аспекты..........................

I,?., упзико-хшшческие механизмы активации поверхностного слоя диэлектриков...................

Д. ^лектроразрядная активация полимеров.............

1*2.2. Воздействие разряда на стекла....................

1.2.3. Воздействие разряда но волоконные материалы......

IСтеклопластики и возможности использования электроразрядно * активации в технологии их

производства.....................................- ^

Постановка задачи................................-ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЙ НЕРАВНОВЕСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ

зх

СТЕКЯОЮЛОКОН И СТЕКЛОПЛАСТИКОВ 2Д. Неравновесные электрические разряды..............

37

2.2. Изучение активационвых механизмов................• '

2.3. Измерение параметров издели. из активируемого вещества...................*.......*.............

ГЛАВА 3. ФАКЕЛЬНЫЙ И БАРЬШЫГ РАЗРЯДУ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА П0ВЕРХН0СТНЫ1 СЛ01 ДИЭЛЕКТРИКОВ СЛОЖНОГО СОСТАВА 46

ЗД. Формирование и устойчивость акельного разряда...

Стр.

3.. . Карьерный разряд как средство активации

диэлектриков..................................'

3.3. Воэдоиотвие неравновесных разрядов на

<44 "

стскловолокно.................................

3.4. ^оздеистакелыюго а барьерного разрядов на вещества» ахадйцие в состав исходных компонентов и в готовые изделия из стеклопластика......................................'

3.5. Выводи по ....................................ДОС)

ГЛАВА 4. ИКРАВНСШЯСШВ ШКТРИЧЕСШ РАЗРЯД* а МЕХАНИЗМЫ -

ИХ АКТИВАЦИОННОГО ВОЗДРЛ'СТВИЯ НА КОМПОНЕНТУ

102

.т ,ЛШЛАСТКК0!3

4.1. ившсД-хймическив механизмы активации..........

4.2. Оптимизация систем "разряд-материал"...........*08

4.:• . Осз активации соотазша структур................ №

4 .4. ыиоды п з главе........................................Л

1ЛА8А 5. РАЗРАБОТКА К ИССЛЕДОВАНИЯ ОПЫТНЫХ УСТАНОВОК

ДЛЯ ЭШТРОРАЗРЯДЙО?; АКТИВАЦИЙ КОЙПОИБНТОВ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ № 119

5 Д. Принципы построения технических средств

олектроразрядной акявации......................*

т.стзущие макеты дня активации стекловолокон.. Д 24

5.3. Действующий макет активации печатных плат иэ стеклопластиков................................ * ^ ^

5.4. Выводы по главе.................................^

шчвшш и шж швода.............................¿зг

ЛИТ РАТУРА........................-......................

ло. ....................................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы» В настоящее время композиционные материалы приобретают вое большее распространение в различных отраслях техники, как в качество электроизоляционных материалов, так и в качестве активных диэлектриков (электреты, пьезоэлошери-ки и др») • Во многих случаях композиционные материалы обладают значительно лучшими электрофизическими характеристиками, чем составляющие их компоненты в отдельности*

Оиэичеокие свойства меафаэных границ в композиционных материалах во многом определяют качество этих материалов и изделий из них* Для формирования менфазных границ с заданными свойствами необходима активация поверхностей, образующих меэуазную границу при создавши готового материала или изделия, Выоокая степень ад-гееии поверхности материала достигается использованием различных видов ктивации. Применение существующих механических, хшиче-ских, температурных методов активации не обеспечивает то состояние поверхности, которое необходимо для создания высокой адге-8ии, кроме того при этом но всегда удается обеспечить экологическую чистоту процесса. Особые сложности возникают, когда активация используется для композиционных материалов,вклшащих полимерные органические и неорганические компоненты, сильно различающиеся по механическим, химическим, электрическим свойствам, например: стеклопластики а их компоненты.

Большими возмо;шостями обладает алектроразрядна я активация неравновесными разрядами, которая применима к материалам, имеющим ограничения по температурным и химическим воздействиям и характеризуется целенаправленным использованием на поверхности энергии носителей зарядов: селективная генерированием и о иололь-

вованием для обработки поверхности химически активных газообразных продуктов разряда при низких температурах газа и ограничением нагрева поверхности. Технологическое осуществление электро-рэзрядной активации не представляет труднооти, оно вполне совмещается с последу идиш операциями по созданию маяфазных границ. Имеющиеся в литературе сведения об увеличении адгезионных свойств поверхности полимеров, стекол и других гомогенных материалов к наносимым впоследствии покрытиям подтверждают высокую эффективность электроразряднои активации, но но позволяют однозначно определить те изменения, которые мояет вызвать воздействие разряда на комбинированные структуры, в силу противоречивости и недостатка сведений о механизмах взаимодействия таних материалов и электрических [заврядов.

Изложенное обуславливает значимость и актуальность проведения исследований, посвященных выяснению основных закономерностей активации материалов сложного состава, а такяе их компонентов различным видами неравновесных электрических разрядов в газах.

В настоящей работе активация электрическими разрядами композиционных материалов и их диэлектрических компонентов изучается в основном применительно к компонентам и готовым изделиям из стеклопластиков. Работа выполнена в 1990-1994 годах в рамках основного научного направления лаборатории физики и техники высоких напряжений Института физики АН Азербайджана, состоящего в разработке научных основ управления адгезионными, адсорбционнша и электрическими свойствами материалов воздействием сильных электрических полей и разрядов,

цель работа: Выявление основных закономерностей воздействия

неравновесных электрических разрядов в газах на поверхность компонентов композиционных материалов с валоконнш наполнителем и

обоснование принципиальных схем и параметров устройств, предназначенных для осуществления электроразряднои модификации.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования были выбраны различные виды неравновесного электрического разряда в газе и активируемые вещества, в качестве которых использовались компоненты, входящие в состав стеклопластиков, как одного из перспективных материалов, предназначенных для работы в сильных электрических полях. При этом особое внимание уделялось взаимному влиянию обрабатываемых материалов на параметры разрядов.

Изучение разрядов проводилось с использованием методов, применяемых в газовой электронике. Варьировались кон «игурзция электрического поля и распределение напряженности в мек электродном пространстве, исследовались вольтамперныо характеристики, изучалась различные виды' разрядов о целью выбора наиболее аффективных из них для обработки материалов /1-4/. Процесс активации изучался путем измерения работы адгезии поверхности по краезому углу омачивания, применения методов спектроскопии в видимой и КК«областях, метода те рмо стимулирован ной релаксации (TCP), оптической микроскопии. Для оценки полученных результатов активации использовались испытания готовых изделии на электрическую прочность, термостойкость и влагопоглощение.

Научная новизна. Установлены основные закономерности влияния диэлектрических волокон, вводимых в активную зону неравновесных разрядов, на изменение режимов и характеристик факельного и барьерного разрядов.

Показано, что из известных механизмов активации поверхности диэлектриков при воздействии Факельного и барьерного разрядов основная роль в увеличении поверхностной энергии при активации принадлежит зарядке компонентов и образованию полярных групп в во-

ществах, образующих поверхностный слом диэлектриков негомогенного состава. При этой активация веществ на основе парафиновых в политерпеновых соединений связана с появлением полярных групп в реакциях окислительного характера, инициируемых продуктами диссоциации молекул эдектроннш ударом в условиях сильной неравновесности разряда,

йредпозеиа и проанализирована модель процессов при активации разрядом стекловолокон, организованных в ооставную структуру (¡¡¡гут). Получено аналитическое вырааение, описывающее смачиваемость связующим составной структуры.

Практическая ценность. По комплекоу физических механизмов оитшалыши для активации промышленных дишектричеоких материалов являются барьерный и (ракельный разряды в воздухе, относящиеся к разрядам с высокой степенью неравновеспооти, На оонове анализа Физических условии формирования отршерэ разработана новая схема возбукдения окольного разряда, позволяющая значительно уменьшить времена запаздывания, что дает возможность создания устройств факельного разряда на переменном напряжении промышленной частоты.

Разработан способ изготовления отеююплаотиковых изделий с применением злектроразрпдной активации и устройства для осуществления активации. Технические решения защищены авторским свидетельством и патентами.

Основные положения, выносимые на защита, I, Возможность уменьшения времен запаздывания при формировании факельного разряда в воздухе, представляющего собой последовательность катодонаправленных отршеров путем увеличения концентрации носителей заряда в разрядном промежутке при введении в зону зарождения стримеров отрицательных попов, это позволяет

использовать для активации волоконных материалов устройства "встречного факела" на переменном напряшиии.

2. Физические механизмы электроразрядной активации компонентов диэлектрических материалов на оонове стеклопластиков осуществляется черзз процессы зарядки поверхностного слоя материала и образования в нем полярных групп, что приводит к увеличению поверхностной энергии, от величины которое) зависит смачиваемость и адгезии при последующем формировании мозфазных границ»

3. Установлено, что введение диэлектрических тал в диспергированном виде а разрядный промезуток приводит к изменению параметров барьерного и факельного разрядов.

Применение последовательного сочетания неравновесных видов разряда - факельного и барьерного з кислородсодержащем срсде обуславливает оптимальной реаш активации стекловолокон о тонким слоем замасливателей на поверхности.

5. Способы и устройства для модификации поверхности промышленных стекловолокон и изделий из стеклопластиков с волоконной основой и эпоксидных компаундов; иопальзование устройств в технологии повышает электрическую прочность профильных стеклопластиков, оплоиность и адгезию проводящих покрытий на стеклопластиках.

Реализация результатов. Результаты диссертационно!! работы использованы в технологических процессах металлизации отверстий печатных плат в БйО "Радиостроение", при проектировании заводской установки для активации поверхности стекловолокон в легутах при производство про. ильных стеклопластиков алагтротехпичеокого назначения на заводе "Азералектроизолит" г.'ингечаур, и при разработке методов комплексной алектроразрядиой модификации поверхности материалов.

Апробация работы.. Основные результаты работы докладывались

на семинарвх лаборатории №¡a,H<Mt но 4-и научно-технической конференции "Уаадмные нокрытия-87п в г«Рига, 1937 г., 1сесоюзной школе-семинаре "Электрофизические методы модификации поверхности материалов и их применение в технологических процессах", Одесса, I98tf г., на научных конференциях аспирантов, молодых ученых Азербайджана в Ъаку, 1933, I99ü, 1992 гг., на У£-м сесоюаном совещании по электрической обработке материалов, г.Кишинев, I99Q г., на объединенной ^онфэренции ">изика и техника монодисперсных систем11 и "Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйства", г.Москва, 1991 г., а также на научно-техническом совете завода "Дзерз-ектроизолит", г, иигечаур, 1991-1993 гг.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в II опубликованных работах в швдународных и республиканских изданиях, одном авторском свидетельстве и двух патентах, в научных отчетах по плановой и хоздоговорным темен Института физики ¿H Азерб.Ресн.

Структура и объем. Диссертационная работе состоит из введения, пяти глав, изложения основных результатов и выводов и списка использованных источников. Содержит страницы машинописного текста, 27 рисунков, 3 таблиц; Список использованных источников содержитнаименован .ш, включая работы автора.

lo введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, приведены сведения о научной новизне, практической ценности и апробации результатов. Сформулированы положения, выносимые на защиту; описано структура диссертации*

1 первое главе содержится анализ литературных данных об электрических разрядах как средство активации материалов. Рассмотрены основные виды низкотемпературных электрических разрядов и основные механизмы активации различных материалов, в том числе ъ во-

локониol исполненли. заключение главы сформулированы конкретные задачи работа.

' у г лил обоснован ьыбор конкрездв ИЦЯШ исс.и~

довэшШ, описана иэьестнае схемы решшэоцщ неравновесных разрядов л некоторые их параметры» Отм-зчено, что оптимизация по виду и решшу используемых разрядов требует подхода, согласованного со свойствами активируемого вещества. Описаны методики и сродстве измерений электрических, энергетических и спектральных характеристик разрядов, материалов и изделий.

_твл'ьеи главе изложены результаты изучения новой схемы

реализации фввельного разряда, приведены данные о влиянии введения волокон в разрядный промежуток но параметры факельного и барьерного разрядов. Представлены экспериментальные результаты по озде^ствию разрядов на стекло, стекловолокна с поверхностным покрытием, эпоксидное связующее и на готовые изделия из стеклопластика.

j четвертой главе обсуидаются эксперименты по изучению механизмов электроразрядной активации и вопросы оптимизации оисгемы "разряд-материал".

j пяток главе проводится анализ применения активации разрядами ь технологиях стеклопластиковых производств, (формулируются основные раком ендации, вытекающие из проведенных исследован ail. Описываются схемы опытно-промышленных установок для активации стекловолокон при производстве профильных стеклопластиков и дег-сгвующего макета для обработки поверхности отверстий б печатных платах.

Б заключение диссертации сформулированы основные результаты и выводы.

ГЛАВА I. шг:] ^РЛлСНШ- РАПР . Г/ АХ КА

СРЕДСТВО АКТИВАЦИИ ПОПШНОСТШХ • СЛОЕВ ДШККТРИЧЙСт ЙАТЯШЛОВ.

исследование изменений электролизичооких свойств диэлектрических материалов под воздействием электрических разрядов после-дуетоя длительное время /3-Ю/, ^о активное аозде*&твие аошт оказывать эяектроразрядная октииашш с точка зрения увеличения работа адгезии активируемо!; поверхности, шее преимущества по орошению о механической, химической, температурной иодеОйвациа^ /3, 6, ?/ - сравнитольно безопасе; процесс работы, исключается применение токсичных, понароопаоных веществ, злектроразрядная ек-тивация применима к материалам, имевшим жесткие ограничения по температуре, может быть оформлена как непрерывный промышленный процесс, кроме того, з некоторых случаях применение алектророзрнд-ной активации моает давать результаты, недостижимые с помощью традиционных методов.

I... ознокноотн алекгроряэрядно^ зктиаэшш и ек технологически аспекты.

^лектричеокие роз ряды в газах чрезвычайно разнообразие что связано с особенностями элементарных процессов, определяющих условия прохождения тока через газ. Для диэлектрических материалов целесообразно иепользоизть авгинацию низкотомпоретурнши неравновесными электрическими разрядами - коронным, тлеющим» барьерным, аиалышм, общее свойство котормх - малый расход вкладываемой энергии на нагрев материала.

Нереввовеонш разряды характеризуются сильным отрывам электронной температуры от температуры ионов и нейтралов, т.о.7

в этих видах разряда энергия, пахучаеман "горяшши" апектронамя от &аек'вричеввег j поля, расходуется на процессы йовкзашш, воз-буядекия и диссоциации молекул газа или атомов поверхностного ело;-1, все эти процессы отнооетф' либо непосредственно к акткаа-цшз вещества, лаЗо к созданию в объеме и вблизи поверхности хиодз-цтт активных продуктов разряда, через котораз идет активация п�