Разработка технологии нанесения вакуумных многослойных светопоглощающих покрытий на оптические детали

В настоящее время, в отечественном и зарубежном приборостроении разрабатывается широкий класс космических приборов, применяемых на спутниках связи и космических станциях, для определения собственных координат и ориентации космического аппарата в пространстве. Речь идет о датчиках горизонта земли, звездных и солнечных датчиках. В качестве первичного канала приема информации в данных приборах используется оптический канал, который должен обеспечивать: высокую чувствительность пеленгации звезд, солнца или земли, в зависимости от типа приборавысокую контрастность объекта с фономхорошую разрешающую способностьстабильность работы во времени (на протяжении всей жизни космического аппарата) — низкий уровень шумов, вносящих существенные затруднения в алгоритм обработки сигнала.

Существенное воздействие на уровень шумов в приборах, а также, качество получаемого изображения оказывают боковые засветки, которые возникают вследствие попадания в оптическую систему излучения под большими углами, выходящими за пределы поля зрения. Многократное переотражение данного излучения от боковых поверхностей оптических элементов объективов приводит к фоновой засветке светочувствительной приемной матрицы приборов. Это приводит к снижению разрешающей способности матрицы, что влечет дополнительную нагрузку на фильтрацию аддитивной смеси полезного сигнала и помехи и увеличивает суммарное время обработки информации. В работе [1] подробно изложены методы фильтрации сигналов в оптико-электронных приборах (ОЭП).

Для борьбы с боковыми помехами ОЭП видимого диапазона (в основном это звездные приборы), в оптическом приборостроении используются специальные светозащитные бленды, предназначенные для снижения яркости рассеянного света до значения, меньшего яркости фоновых помех, а также подавления возможных бликов от этих помех. Одним из основных параметров бленды является коэффициент ослабления к0сл отношение освещенности от боковой помехи на входе бленды к освещенности, создаваемой рассеянным светом на ее выходе [2]. На практике применяются различные конструкции бленд — круговые, двойные, кольцевые, сотовые. Степень подавления оптических помех напрямую связана с поглощающими свойствами внутренних рабочих поверхностей бленд, покрытых специальными покрытиями.

Существующие типы покрытий отличаются в зависимости от материала и химико-физических свойств поверхности, на которую они наносятся. Данные покрытия относятся к виду светопоглощающих покрытий и занимают особое место в технологии оптического приборостроения. Основными требованиями, предъявляемыми к таким покрытиям для приборов космических аппаратов, являются: обеспечение заданного коэффициента отражения и коэффициента яркости в рабочем диапазоне длин волнобеспечение механической прочности и стойкости к воздействию космической радиации для заданного срока эксплуатации.

На сегодняшний день для получения светопоглощающих покрытий применяются различные методы, в массе своей основанные на проведении химических реакций на поверхности деталей, входящих в состав светозащитных бленд. В ходе данных реакций происходит изменение приповерхностной структуры металла с образованием новых химических соединений. В результате обрабатываемая металлическая поверхность приобретает оттенки черного цвета. Данные методы варьируются в зависимости от материала подложки и вида поверхности (шлифованная, полированная). Практика применения таких покрытий имеет ряд преимуществ и недостатков. В качестве основного преимущества можно выделить возможность обработки поверхностей сложных форм. Кроме этого, оборудование для получения данных покрытий имеет относительно низкую стоимость. Серьезным недостатком является применение кислот и щелочей для осуществления химических реакций, оказывающих воздействие на здоровье обслуживающего персонала и на экологию окружающей среды. В некоторых случаях для повышения механической прочности покрытий применяются дополнительные методы обработки, что существенно увеличивает технологический цикл производства деталей и снижает производительность процесса. Стоит отметить, что известные химические методы не позволяют свободно управлять в широких приделах параметрами покрытий, такими как коэффициенты отражения и яркости, адгезия и другими.

Задача технологического процесса нанесения светопоглощающего покрытия на детали светозащитных бленд состоит в изменении оптических характеристик рабочих поверхностей — снижении коэффициента отражения и коэффициента яркости в заданной области спектра при обеспечении высокой механической прочности и радиационной стойкости покрытия. Процесс должен быть максимально управляемым с точки зрения достижения заданных характеристик покрытия, а его вредное воздействие на персонал и окружающую среду должно быть минимальным.

Актуальность работы вызвана постоянно растущими требованиями к оптическим и механическим характеристикам светопоглощающих покрытий и постоянно увеличивающейся номенклатурой приборов, в которых они применяются. Вместе с тем, необходимо решить вопрос повышения качества покрытия и производительности технологического процесса, при снижении вредного воздействия на человека и окружающую среду.

Особенно стоит отметить вопрос о разработке технологического процесса нанесения светопоглощающего покрытия, который позволил бы использовать подложки из различных материалов (сталь, алюминий, никель, стекло), с различными видами поверхностей (шлифованная, полированная).

Актуальность данной работы определяется необходимостью разработки принципиально новой эффективной технологии получения светопоглощающих покрытий на подложках из металла и стекла, с применением современного высокотехнологичного оборудования.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые разработан новый технологический процесс нанесения светопоглощающих покрытий методом электронно-лучевого испарения в вакууме на оптические поверхности деталей из таких материалов, как стекло, сталь, алюминий, латунь, медь, титан.

В диссертационной работе проведен анализ различных методов получения светопоглощающих покрытий, а также были рассмотрены их эксплуатационные свойства.

В рамках работы была разработана и оптимизирована по толщине новая конструкция светопоглощающих покрытий, состоящая из чередующихся металлических и диэлектрических слоев. Покрытия данной конструкции поглощают более 90% электромагнитного излучения в широком диапазоне спектра. Достижением является возможность снижения коэффициентов яркости и отражения от поверхности с покрытием в десятки раз.

Проведенные исследования позволили установить взаимосвязь между технологическими режимами процесса нанесения покрытий и их эксплуатационными свойствами, в результате чего была разработана и оптимизирована универсальная технология нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из различных материалов.

Практическая значимость. Исследования, проведенные в рамках диссертации, позволили разработать конструкцию и технологию нанесения светопоглощающих покрытий, которые имеют практическую ценность в сфере создания оптико-электронных приборов и систем космической ориентации и астрокоррекции. Данные покрытия за счет многократного поглощения падающего излучения, лежащего за границами угла поля зрения объектива прибора, существенно снижают уровень боковых помех. Это приводит к сокращению времени обработки полезного сигнала и способствует повышению точности определения полезного сигнала. Кроме того, разработанная технология позволила получить покрытия, обладающие высоким коэффициентом теплопроводности, что открывает широкие возможности их использования в энергетических отраслях промышленности для аккумулирования и передачи тепловой энергии.

На защиту выносятся следующие положения:

— результаты теоретического расчета спектральных характеристик светопоглощающих покрытий, оптимизированных по толщинам и пленкообразующим материалам;

— результаты исследований влияние технологических параметров процесса нанесения светопоглощающих покрытий на их структуру и свойства;

— результаты анализа влияния материалов подложек и вида подготовки поверхности на оптические характеристики светопоглощающих покрытий;

— оптимизированные технологические режимы нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из стекла, стали, алюминия, латуни, меди и титана;

— типовой технологический процесс нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из стекла, стали, алюминия, латуни, меди и титана, методом электронно-лучевого испарения в вакууме.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Самсонов К. Н. Технология нанесения светопоглощающих неотражающих покрытий на металлические поверхности методом вакуумного напыления. Сборник статей МГАПИ. 2005. — С. 100−101.

2. Самсонов К. Н. Анализ и подбор многослойных тонкопленочных структур на основе редких металлов и их окислов для получения поверхностей с высокими показателями поглощения и низкими коэффициентами отражения в области спектра 0,4−1,1 мкм. Сборник статей МГАПИ. 2005. — С.97−100.

3. Самсонов К. Н. Оборудование и материалы, применяемые для получения светопоглощающих покрытий // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Пьезо-2008». Москва. 2008. — С. 146−149.

4. Самсонов К. Н. Исследование эксплуатационных свойств светопоглощающих покрытий: Тезисы докладов 7-ой Международной конференции молодых специалистов металлургической, авиационной и ракетно-космической отраслей.// Сборник материалов. 42. Королев. 2008. — С. 52−57.

5. Гриднева Г. Н., Самсонов К. Н. Эксплуатационные свойства светопоглощающих покрытий // Фотоника. № 1. 2009. — С. 28−30.

6. Кондратенко B.C., Самсонов К. Н. Морфология поверхностей деталей со светопоглощающим покрытием // Сборник трудов.

Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании». Тунис. 2008. — С. 74−77.

7. Кондратенко B.C., Самсонов К. Н., Гриднева Г. Н. Вакуумные светопоглощающие покрытия на металлических деталях для оптического приборостроения // Приборы. № 6(108).2009. — С. 51−56.

8. Самсонов К. Н. Разработка технологии нанесения светопоглощающих покрытий методом электронно-лучевого испарения в вакууме // Вестник молодых ученых. МГУПИ. № 5. 2009. — С.23−30.

Заключение

.

В рамках проведенных исследований была решена задача по созданию принципиально новой типовой технологии нанесения светопоглощающих покрытий на оптические детали из различных материалов. Исследование оптических и эксплуатационных характеристик данных покрытий подтверждают возможность их применения в оптико-электронных приборах широкого класса для снижения воздействия боковых помех. Кроме того, разработанная технология позволяет изменять спектральный диапазон поглощаемого излучения, что практически не возможно в случае использования химико-физических методов. В работе изучена и подтверждена возможность нанесения разработанных покрытий на детали из стекол и металлов различных марок. Оптимизированные технологические режимы в сочетании с отработанной методикой контроля толщин наносимых слоев позволяют получать покрытия с воспроизводимыми характеристиками.

В процессе разработки и исследования получены следующие основные результаты:

1. Проведен теоретический расчет спектральных характеристик светопоглощающих покрытий с последующей оптимизацией их по толщинам и пленкообразующим материалам.

2. Исследовано влияние технологических параметров процесса нанесения светопоглощающих покрытий на их структуру и свойства.

3. Произведена оценка влияния материалов подложек и вида подготовки поверхности на оптические характеристики светопоглощающих покрытий.

4. Оптимизированы технологические режимы нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из стекла, стали, алюминия, латуни, меди и титана.

5. Разработан и внедрен типовой технологический процесс нанесения светопоглощающих покрытий на подложки из стекла, стали, алюминия, латуни, меди и титана, методом электронно-лучевого испарения в вакууме.