Специализированные камеры

Помимо вакуумно-компрессионных электротермических установок разного типа и вспомогательного оборудования к ним, мы разрабатываем и изготавливаем герметичные камеры для специального применения.

Среди примеров подобных конструкций, разработанных нашим предприятием:

• испытательное оборудование для изучения гиперзвуковых потоков высокой интенсивности, по заказу АО "ЦНИИмаш" (г. Королев);
• криогенная камера для имитации условий бурения поверхности Луны, по заказу Института космических исследований РАН;
• камера контроля герметичности среднеразмерных спутников, по заказу конструкторского бюро химического машиностроения им. A.M. Исаева.

Если у заказчика есть задачи создания сложного вакуумно-компрессионного или герметичного исследовательского / экспериментального оборудования, даже при отсутствии необходимости нагрева, компетенции нашего предприятия будут востребованы, и мы охотно поможем реализовать нестандартные идеи.

 

За четверть века работы в области вакуумного оборудования, специализируясь на создании нестандартных типов вакуумных электротермических установок, НПП ВакЭТО получало много запросов на разработку специализированных вакуумных камер, не связанных с процессами высокотемпературных нагревов, а использующих особенности сильно разряженной атмосферы (вакуума) для достижения технологических эффектов, не требующих существенного разогрева садки.

В этой статье мы опишем спектр применения «вакуумных» технологий, полагая, что она поможет читателю сориентироваться в многообразии вакуумного оборудования и приблизительно определить направление решения именно своей технологической задачи.

 

Специализированные камеры для сварки в инертной атмосфере и вакууме

Надежность сварных соединений в высоконагруженных изделиях исключительно важна – например, в аэрокосмической отрасли. Для исключения дефектов сварного соединения и общего повышения его качества сварку проводят в вакууме или инертной среде, препятствующей окислению, азотированию, водородному охрупчиванию и другим потенциальным проблемам сварных соединений.

Обычно камеры вакуумного типа создаются для электронно-лучевой сварки, требующей высокого вакуума – порядка 10^-5 мм рт. ст. Как правило, они полностью автоматизированы, могут быть средних размеров (около 1 м³) или достигать 30 м³ и даже более (для сварки крупногабаритных деталей).

Необходимость расположения системы позиционирования свариваемого объекта относительно электронно-лучевой пушки (иногда, наоборот) может требовать создания «квадратных» вакуумных камер (нецилиндрической симметрии), существенно увеличивая материалоемкость конструкций.

В более простых камерах для сварки в контролируемой (инертной) атмосфере в качестве защитного газа используются аргон, гелий или их смеси. Однако при сварке – автоматизированной аргонно-дуговой или иного типа – камеры также требуют предварительного вакуумирования, а значит, и создания массивного корпуса.

Проще конструкция камер сварки в контролируемой атмосфере, где сварка осуществляется вручную, а рука сварщика работает в специальной «боксовой» перчатке, разделяющей воздушную и инертную атмосферы. Такие камеры могут быть жесткими или «мягкими» (из очень плотной ткани, прозрачных пленок, вакуумной резины и т. д.). «Мягкие» работают под избыточным давлением инертного газа, в том числе для сохранения формы камеры во время работы. Их преимущества перед традиционными конструкциями - быстрота развертывания и большая мобильность.

Отдельный, наиболее сложный и крупногабаритный вид специализированных камер для сварки – обитаемые камеры. Сварщик попадает в камеру через шлюз и работает внутри нее в скафандре. Они применяются только для наиболее сложных, крупногабаритных и дорогих изделий, автоматическая сварка которых с надлежащим качеством невозможна.

Для повышения качества, в зависимости от типа свариваемых металлов и многих других технологических факторов, специализированные камеры для сварки могут оснащаться печами предварительного подогрева мест сварных соединений (есть несколько типов конструкций таких печей). 

 

Специализированные камеры для напыления

Для создания защитных, проводящих, оптических, износостойких покрытий, модификации поверхностных свойств материала (твердости, адгезии, коэффициента трения), формирования функциональных слоев в микроэлектронике и оптоэлектронике, декорирования изделий (металлизации, цветовых покрытий) – используют напылительные камеры, где процесс покрытия  основан на переносе в разряженной атмосфере частиц вещества от источника к обрабатываемой поверхности с последующим осаждением и формированием сплошного функционального покрытия с заданной толщиной и свойствами.

Для создания потока осаждаемого вещества используют испарители резистивного или электронно-лучевого типов, магнетронные катоды, ионные источники. Подложкодержатели, в зависимости от технологических требований, изготавливаются нагреваемыми / охлаждаемыми, а для равномерности нанесения слоя они делаются подвижными (вращающимися).

Остаточное давление при напылении может варьировать в широких пределах от сверхвысоковакуумного (до 10^-9 мм рт. ст.) до низкого (около 1 мм рт. ст.), когда используются газы-носители: инертные (Ar, He), реактивные (О₂, N₂) – или прекурсоры (SiH₄, металлоорганические соединения). Обычно получаемые толщины покрытий – от 1 нм до десятков микрометров.

Области применения покрытий специализированных камер напыления по отраслям: 

Микроэлектроника:

• металлизация межсоединений (Al, Cu)
• диэлектрические слои (SiO₂, Si₃N₄)
• барьерные покрытия (TiN, TaN)

 Оптика и фотоника:

• зеркальные покрытия (Ag, Al)
• интерференционные фильтры (TiO₂, SiO₂)
• просветляющие слои

Машиностроение и инструментальное производство: 

• износостойкие покрытия (TiN, CrN, DLC)
• термобарьерные слои (ZrO₂, YSZ)
• антифрикционные покрытия (MoS₂, WS₂)

Медицина: 

• биосовместимые покрытия (Ti, HA)
• антибактериальные слои (Ag, Cu)
• функциональные покрытия имплантатов

Автомобильная и авиационная промышленность: 

• защита от коррозии (Zn, Al)
• теплозащитные покрытия (керамики)
• декоративные слои

Научные исследования: 

• синтез 2D‑материалов (графен, MoS₂)
• создание сверхпроводящих плёнок
• экспериментальные функциональные покрытия

Основные преимущества вакуумного типа напыления:

• высокая чистота покрытий (отсутствие оксидов и других загрязнений)
• точный контроль толщины и состава покрытия
• равномерность нанесения на сложные геометрии подложки
• возможность комбинирования материалов (многослойные структуры)

Специализированные вакуумные камеры для дегазации, сушки и пропитки

Наличие газов, растворенных или заключенных в микрообъемах внутри материалов в разных агрегатных состояниях, может существенно препятствовать технологическим операциям. Для борьбы с этими явлениями применяют вакуумные дегазационные камеры.  

Представим, что необходимо пропитать жидкостью пористый материал с малыми характерными размерами пор. Сделать это в воздушной среде, даже принудительно погрузив материал в жидкость, может оказаться невозможным ввиду противодействия пузырьков воздуха внутри пор проникновению в них жидкости. Но стоит нам предварительно откачать воздух из пористого материала и (без развакуумирования) поместить его в жидкость, как она без сопротивления заполнит поры материала, особенно если одновременно повысить давление над поверхностью жидкости, заполняющей материал.

Подобный цикл можно применять и для удаления из жидкостей нежелательных газов (дегазации) с последующим растворением в ней других (необходимых) газов. Если требуется дегазировать жидкость, то снижение атмосферного давления над ней вызывает ускоренное выделение растворенных газов.  Так можно и дегазировать жидкость, и, при необходимости, осуществлять дальнейшее растворение в ней иных, контролируемых газов, в той же камере. Повышение давления растворяющегося газа интенсифицирует насыщение им жидкости.

 

Благодаря высокой упругости водяного пара «вакуум» – очень эффективная среда для сушки влажных материалов. Как известно, при нормальных условиях упругость насыщенного пара воды превышает 17 мм рт. ст., поэтому даже низковакуумные насосы эффективны для его удаления. Однако в таких системах следует применять насосы, не использующие в качестве рабочей жидкости вакуумное масло: оно быстро эмульгирует, и насос выйдет из строя. 

 

Основные направления применения специализированных дегазационных и сушильных вакуумных камер: 

 

Дегазация:

• эпоксидные смолы, силиконы, полиуретаны (удаление пузырьков перед заливкой);
• лакокрасочные материалы и клеи;
• фармацевтические субстанции и гели;
• пищевые массы (например, шоколадные глазури).

Сушка:

• древесина (стабилизация, предотвращение растрескивания);
• фармацевтические порошки и гранулы;
• керамические шликеры и пасты;
• пищевые продукты (фрукты, овощи, травы);
• электронные компоненты и печатные платы (удаление остаточной влаги).

Камеры вакуумно-компрессионного типа наиболее эффективно используются в процессах вакуумной инфузии (пропитки) для равномерного распределения смол и клеев в композитах, повышая их прочность и однородность. В металлургии и порошковой металлургии такие камеры применяются для пропитки пористых материалов, например, при создании металлических композитов методом вакуумно-компрессионной пропитки. 

 

Специализированные климатические камеры (термобарокамеры)

Климатические камеры – испытательное оборудование, позволяющее в широком диапазоне температур, давлений и влажности моделировать условия эксплуатации испытуемых изделий в разных климатических зонах.

Предельные достигаемые параметры таких камер, как правило, не очень высоки:

• давление: от атмосферного до ~80 Торр (и ниже, в зависимости от насоса);
• температура: обычно от −70 °C до +180 °C;
• влажность: от 5 % до 98 % (при поддержании температуры);
• объем рабочей зоны: от 150 л до 1 м³ и более в зависимости от габаритов испытываемых изделий.

Основные направления использования климатических камер:

 

• испытания авиационной и космической техники — проверка работоспособности приборов, узлов и материалов при полетах на больших высотах;
• отработка электронных компонентов – выявление дефектов, связанных с газовыделением, коронными разрядами, перегревом в разряженной среде;
• исследование тепломассопереноса – процессов испарения, конденсации, теплопередачи при низком давлении с конкретными изделиями;
• моделирование условий высокогорья – испытания снаряжения, медицинских приборов, дыхательных систем.