Исследование структурных механизмов испарения вольфрама в источниках света в условиях воздействия различных физических факторов

Несмотря на более чем 100-летнюю исторшо развития исследований термического испарения конденсированных веществ [1−5], состояние теории и практики в этой области, как справедливо отмечается в [6] далеко от завершающей стадии. Процесс испарения играет большую роль в различных прикладных областях науки и техники: — при росте кристаллов, напылении интегральных пленок, при эксплуатации изделий электронной техники и светотехники, в охладительной технике и др.

Исторически сложилось так, что до настоящего времени количественно процессы испарения характеризуются интегрально через давление пара [1−5]. Со времен классических работ Бартона, Кабрера, Франка [7], Сирса [8−9], Хирса и Паунда [10−11], описывающих процессы испарения и роста кристаллов с учетом реальной атомистической структуры испаряющейся поверхности, дальнейших продолжений этого структурного направления исследований практически не наблюдается.

Актуальность проблемы следует из особой роли, которую играют процессы испарения при эксплуатации источников света (ИС) различного назначения, обуславливая ускоренные процессы их старения, приводящие к физическому отказу. Работы последнего времени в этом направлении [12−25] свидетельствуют о правомочности подхода к проблеме испарения вольфрама с двух различных, взаимодополняющих друг друга позиций — с позиции известной модели «горячих точек», утверждающей ускорение процесса испарения в локальных местах? и с позиции структурного материаловедения, из которой, в условиях применения в лампах накаливания (JIH) монокристаллической идеально тексту-рированной проволоки, следует замедление процесса испарения со временем эксплуатации.

С учетом того, что в реальных условиях эксплуатации вольфрама в ИС различного назначения, процессы испарения протекают в различных условиях: в вакууме, инертной и реакционной сред, электрических полей при радиационных воздействий и пр.), необходимы дальнейшие углубленные структурные исследования процессов испарения в конкретных условиях эксплуатации.

Целью работы являлось дальнейшее уточнение атомистических моделей испарения вольфрама с учетом вероятностного подхода к элементарному процессу отрыва атомов от кристаллической решетки и их дальнейшего поведения в окружающем пространстве. Необходимо было:

— построить атомистические модели различных структурно-энергетических позиций поверхностных атомов вольфрама с учетом количества межатомных связей с ближайшими соседями в 1-й и 2-й координационной сферах и на этой основе уточнить значения парциальных энергий активации испарения из каждой структурной позиции;

— рассчитать скорости процесса чисто термического испарения вольфрамовых нитей и спиралей на различных временных этапах и сопоставить их с экспериментальными результатами;

— разработать вероятностную модель испарения атомов вольфрама в окружающую инертную среду при различных давлениях с учетом факторов их встречи с атомом газа и их дальнейшего прицельного отталкивания на нить, сопоставить расчетные оценки с экспериментальными результатами.

— разработать вероятностную модель и провести расчетные оценки термохимической скорости испарения вольфрама в окружающую кислородсодержащую среду с учетом дополнительного подвода к поверхностным атомам решетки энергии экзотермических реакций окисления вольфрама, провести сравнительные оценки с известными экспериментальными результатами;

Объектом исследований являлись: вольфрамовая проволока для ЛН различного применения и вольфрамовые электроды для ксеноновых ламп сверхвысокого давления. Критерием отбора являлось то, что процессы испарения вольфрама в этих ИС охватывают практически все виды сопутствующих физических факторов, которые указаны выше.

Методика исследований заключалась в сопоставлении результатов расчетных и экспериментальных исследований процессов испарения. Для расчетных оценок принято применяемое в материаловедении выражение для потоков испаряющихся и конденсирующихся атомов вблизи поверхности, которое последовательно развивалось и усложнялось применительно к воздействию на процесс испарения сопутствующих физических факторов — давлении инертной и реакционной (окислительной) среды. Методика экспериментальных исследований заключалась в исследовании скорости испарения весовым методом, методом высокотемпературного электросопротивления и с применением электронно-микроскопических исследований изменения поверхности вольфрама в различных условиях.

Научная новизна. Впервые описываются процессы термического и термохимического испарения вольфрама в вакуум, инертно чистую и с добавками окисляющих компонентов, газовую среду с применением элементов теории вероятности и с учетом реальных структурных факторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

— Атомистические модели структурно-энергетических позиций поверхностных атомов на поверхности твердого тела с объемно-центрированной кубической решеткой вольфрама.

— Уточненные оценки парциальных энергий активации испарения атомов вольфрама из каждой позиции и расчетные значения сопутствующих парциальных скоростей испарения по различающимся структурным механизмам.

— Сопоставление расчетных и экспериментальных значений скорости испарения вольфрама и спиральных тел накала в условиях вакуума.

— Вероятностная модель и расчетные оценки скорости испарения вольфрама в присутствии в окружающей среде кислородсодержащих газовых компонентов, сравнение с экспериментальными результатами и данными электронно-микроскопических исследований.

— Вероятностная модель испарения и расчетные оценки скорости испарения вольфрама в чистую инертную среду при различных давлениях с учетом различных импульсов испаряющихся атомов и атомов газа и вероятностей элементарных актов их встречи и прицельного возврата на нить, сопоставление с результатами экспериментальных исследований.

— Результаты применения элементов теории вероятностей при анализе ряда последовательных столкновений испарившегося атома с атомами газа.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при чтении курса лекций по материаловедению для студентов Института Электроники и Светотехники при Мордовском госуниверситете, разрабатываемые компьютерные модели и расчеты демонстрировались также студентам колледжа электроники (г.Саранск), а также методики расчета скорости испарения вольфрамовой проволоки и спирали и исследования временной зависимости скорости испарения вольфрамовой проволоки и спирали были внедрены на УзКТЖМ (г.Чирчик), а также на ОАО «Лисма» (г.Саранск).

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы обсуждались в кругу специалистов в области проблем материаловедения и светотехнических проблем на следующих конференциях и совещаниях:

— Первой научно-технической Всероссийской с международным участием конференции «Светоизлучающие системы. Эффективность и применение». (Саранск, 94);

— Международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 95);

— Второй Международной светотехнической конференции (Суздаль, 95);

— Четырнадцатой Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 95);

Международной научно-технической конференции «Освещение-96» (Болгария, 96);

— Четвертом Всероссийском с международным участием совещании по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий (МИСЭПСИ-4). (Саранск, 96);

— Второй научно-технической Всероссийской с международным участием конференции «Светоизлучающие системы. Эффективность и применение». (Саранск, 97);

— Всероссийской научно-технической конференции «Особенности и тенденции развития инженерного университетского образования» (Саранск, 97);

— Первой Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 99);

— Международной научно-технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск, 99).

По теме диссертации опубликовано 15 работ в трудах научно-технических конференций, а также депонированных в ВИНИТИ, перечень которых приведен ниже:

1. Новое в теории и практике испарения вольфрама в лампах накаливания /Мордюк B.C., Карьгин И. П. // Светоизлучающие системы. Эффективность и применение: Тез. докл. 1-й Всерос. научн.-техн. конф. с междунар. участиемСаранск: Из-во Мордов. ун-та. — 1994. — С. 18−19.

2. Мордюк B.C., Карьгин И. П. Новая кинетическая концепция испарения вольфрама в лампах накаливания.// Тез. докл. 2-й Междунар. светотехн. конф. -Суздаль: — 1995. -С.69−70.

3. Коган A.M., Мордюк B.C., Карьгин И. П., Тихонова Н. П. Компьютерное моделирование физических процессов старения материалов в источниках света.// Тез. докл. 2-й Междунар. светотехн. конф. — Суздаль: — 1995. -С.68.

4. Зотова О. А., Коган A.M., Мордюк B.C., Тихонова Н. П., Карьгин И. П. О необходимости учета испарения из объема при компьютерном моделировании роста внутренних пор.// Методы и средства управления технолог ическими процессами: Тез. докл. 1-й Всерос.научн. конф. с междунар. участием — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та. -1995. -С.61−62.

5. Бочкова Р. В., Мордюк B.C., Муницына Т. Н., Карьгин И. П. Модель слоя Ленгмюра при испарении вольфрама в сильных электрических полях.// Методы и средства управления технологическими процессами: Тез. докл. 1-й Всерос.научн. конф. с междунар. участием — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та. -1995. -С.38−39.

6. Мордюк B.C., Карьгин И. П., Байнева И. И. Механизм и детали внутреннего массопереноса в галогенных лампах накаливания.// Тез. докл Междунар. научн.-техн. конференции «Освещение-96» .- Болгария. Варна.-1996. -С.69.

7. Мордюк B.C., Карьгин И. П., Байнева И. И., Харитонов А. В. Электронно-микроскопические исследования внешнего массопереноса в галогенных лампах накаливания.//Тез. докл Междунар. научн.-техн. конференции «Освещение-96» .-Болгария. Варна.-1996. -С.68.

8. Карьгин И. П. Испарение вольфрама в присутствии кислородсодержащей среды.// Тез. докл 4-го Всерос. с междунар. участием совещания по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических материалов (МИСЭПСИ-4).-Саранск: Изд-во Мордов. ун-та.-Саранск.-1996.-С.44.

9. Росланова О. В., Иванов О. ТО., Карьгин И. П., Мордюк В. С., Тихонова Н. П. Физическое и компьютерное моделирование процессов в материалах для источников света.// Особенности и тенденции развития инженерного университетского образования: Тез.докл. Всерос. научн.-техн.конф.-Саранск. -1997.-С. 9.

10. Иванов О. Ю., Карьгин И. П., Мордюк B.C., Макорина Н. В., Росланова О. В., Тихонова Н. П. Компьютерное моделирование процесса термического испарения моно кристаллической вольфрамовой нити.// Светоизлучающие системы. Эффективность и применение: Тез. докл. 2-й Всерос. научн.-техн. конф. с междунар. участием — Саранск: Из-во Мордов. ун-та. — 1997. — С.15.

11. Мордюк B.C., Иванов О. Ю., Карьгин И. П., Росланова О. В. Вероятностная модель чисто термического и термополевого испарения вольфрама в инертной среде. // Светоизлучающие системы. Эффективность и применение: Тез. докл. 2-й Всерос. научн.-техн. конф. с междунар. участием — Саранск: Из-во Мордов. ун-та. — 1997. — С.5.

12. Атаев А. Е., Лисицын В. М., Мордюк В. С. Карьгин И.П. и др. Компьютерные модели физических процессов в светотехнических материалах и производстве.// Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: Тез. докл. 1-й Всерос. научн.-техн. конф, — Нижний Новгород. -1999. -С.3−8.

13. Иванов О. Ю., Мордюк B.C., Молил В. Н., Молина О. В., Карьгин И. П. Уточнение механизма испарения в инертную среду с позиции физики твердого тела.// Проблемы и прикладные вопросы физики: Тез. докл. 2-й Междунар. на-учн.-техн. конф. -Саранск. -1999. -С.47.

14. В. С. Мордюк, И. П. Карьгин. Методика расчета скорости испарения вольфрамовой проволоки и спирал и/Морд.ун-т.-Саранск.-1999. — 9С. Деп. в ВИНИТИ 21.12.99, № 3798-В99.

15. В. С. Мордюк, О. В. Молина, О. Ю. Иванов, И. П. Карьгин. Расчетные исследования и компьютерное моделирование термохимического испарения вольфрама/, Морд. ун-т.-Саранск, 1999. — 20 с. Деп. в ВИНИТИ 21.12.99, № 3799-В99.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Детально описаны модели структурно-энергетических позиций поверхностных атомов монокристаллической, текстурированной вдоль оси направлением [110] вольфрамовой проволоки, отличающихся количеством обрываемых при испарении межатомных связей.

2. Осуществлена оценка значений энергии активации испарения атомов из различных структурно-энергетических позиций. Рассчитаны парциальные значения скорости испарения вольфрама из этих позиций на различных временных этапах.

3. Осуществлены прямые экспериментальные исследования скорости испарения на нитях и спиралях, подтверждающие уменьшение скорости вольфрамовых нитей и спиралей с течением времени. Расчетные и экспериментальные оценки существенного снижения со временем скорости термического испарения подтверждаются электронно-микроскопическими растровыми исследованиями кристаллографического огранения спиральных тел накала в процессе работы ламп.

4. Подтверждена роль внутреннего и внешнего испарения в процессе образования внутренних макрополостей в проволоке при высокотемпературном объемном разрушении.

5. При анализе процессов испарения в инертной среде выдвинуто новое предположение о том, что только что испарившийся атом вольфрама имеет значительно меньшую скорость, чем средняя скорость атомов газа у поверхности тела накала. Это предположение с учетом закона сохранения импульса объясняет, почему при существенно меньшей массе атом газа отталкивает атом вольфрама на нить. Разработанная модель и аналитическое выражение удовлетворительно объясняют зависимость скорости испарения в газе от диаметра вольфрамовой нити и рода инертного газа. В рамках данной модели скорость испарения в газе рассчитывается через вероятность прицельного возврата атома вольфрама на нить. Учитывается угол прицельного возврата и вероятность столкновения атомов вольфрама и газа в пределах застойного слоя.

6. Рассчитана длина свободного пробега атома вольфрама в пределах «застойного слоя» с учетом неоднородного распределения атомов газа вблизи тела накала.

7. Установлено, что основные закономерности окислительного испарения вольфрама заключаются в следующем: во-первых, при одних и тех же условиях эксперимента наблюдается образование летучих и нелетучих оксидов. во-вторых, с повышением концентрации кислорода при снижении степени откачки в экспериментальной вакуумной установке наблюдается существенное повышение скорости окислительного испарения, проявляющееся в виде образования кристаллов оксидов вольфрама на поверхности тела накала. о в-третьих, образование летучих и нелетучих оксидов на поверхности, видимое по результатам электронно-микроскопических исследований, является причиной образования неравномерностей сечения нитей и, как следствие, образования так называемых «горячих точею> при эксплуатации тела накала .

8. Показано, что для согласования экспериментальных и расчетных скоростей испарения в кислородосодержащей среде к энергии тепловых колебаний необходимо добавить энергию экзотермической реакции окисления вольфрама с поправочным коэффициентом, имеющим смысл концентрации кислорода в атмосфере лампы.

9. Разработаны методики расчета скорости испарения вольфрамовой проволоки и спирали и исследования временной зависимости скорости испарения вольфрамовой проволоки и спирали.

10. Приведены примеры конкретного использования результатов работы в прикладных исследованиях, в промышленности и в учебном процессе.