RU2745976C1 - Anti-dynatron coating based on a polymer matrix with the inclusion of carbon nanotubes and a method for its preparation - Google Patents
Anti-dynatron coating based on a polymer matrix with the inclusion of carbon nanotubes and a method for its preparation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2745976C1 RU2745976C1 RU2020113354A RU2020113354A RU2745976C1 RU 2745976 C1 RU2745976 C1 RU 2745976C1 RU 2020113354 A RU2020113354 A RU 2020113354A RU 2020113354 A RU2020113354 A RU 2020113354A RU 2745976 C1 RU2745976 C1 RU 2745976C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon nanotubes
- composite material
- layer
- nanotubes
- polymer matrix
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к композитным материалам, которые могут быть использованы для нанесения на поверхность различных деталей для создания антидинатронных покрытий путем модификации поверхности пленкой композита на основе полимерной матрицы с включением углеродных нанотрубок, как ориентированных, так и неориентированных.The invention relates to composite materials that can be used to apply various parts to the surface to create antidynatron coatings by modifying the surface with a composite film based on a polymer matrix with the inclusion of carbon nanotubes, both oriented and non-oriented.
Изобретение может быть эффективно использовано в вакуумных электроприборах, в различных коллекторах электронов, цилиндрах Фарадея и других устройствах, регистрирующих ионный или электронный токи.The invention can be effectively used in vacuum electrical appliances, in various collectors of electrons, Faraday cylinders and other devices that register ionic or electronic currents.
Уровень техникиState of the art
Динатронный эффект - это процесс выбивания вторичных электронов из металлического анода при бомбардировке его электронами и ионами. Под действием динатронного эффекта в вакуумных электроприборах может возникать нежелательный ток вторичной электронной эмиссии. Для уменьшения данного эффекта наиболее часто используют микроструктурирование поверхности (увеличение шероховатости поверхности) и антидинатронные покрытия (образованные пассивирующими слоями с низким коэффициентом вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ), определяемым как отношение числа вторичных электронов к числу первичных, вызвавших эмиссию).The dinatron effect is the process of knocking out secondary electrons from a metal anode when it is bombarded with electrons and ions. Under the influence of the dinatron effect, an undesirable secondary electron emission current can arise in vacuum electrical appliances. To reduce this effect, surface microstructuring (an increase in surface roughness) and antidinatron coatings (formed by passivating layers with a low coefficient of secondary electron emission (SEEE), defined as the ratio of the number of secondary electrons to the number of primary ones that caused the emission) are most often used.
В частности, из уровня техники известно уменьшение нежелательного динатронного эффекта посредством покрытия поверхности электродов веществами с малыми значениями коэффициента вторичной электронной эмиссии, такими как углерод (сажа, аквадаг), соединения углерода (например, фторуглерод), титан, цирконий, дисилициды переходных металлов, нитриды титана и хрома и т.п. [например, F. Wang, Q. Zhao, J. Li, K. Wang, Z. Huang, W. Cui, «Significantly Reduced Secondary-Electron-Yield of Aluminum Sheet with Fluorocarbon Coating», Coatings, 2018, 8(7), 249; https://doi.org/10.3390/coatings8070249; Q. Lu, B. Yu, Z. Hu, Y. He, T. Hu, Y. Zhao, Z. Wang, Z. Zhou, W. Cui, M. Liu, «Surface roughness evolution induced low secondary electron yield in carbon coated Ag/Al substrates for space microwave devices», Applied Surface Science, volume 501, 31 January 2020, 144236, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144236].In particular, it is known from the prior art to reduce the undesirable dinatron effect by coating the electrode surface with substances with low values of the secondary electron emission coefficient, such as carbon (soot, aquadag), carbon compounds (for example, fluorocarbon), titanium, zirconium, transition metal disilicides, nitrides titanium and chromium, etc. [e.g. F. Wang, Q. Zhao, J. Li, K. Wang, Z. Huang, W. Cui, "Significantly Reduced Secondary-Electron-Yield of Aluminum Sheet with Fluorocarbon Coating", Coatings, 2018, 8 (7 ), 249; https://doi.org/10.3390/coatings8070249; Q. Lu, B. Yu, Z. Hu, Y. He, T. Hu, Y. Zhao, Z. Wang, Z. Zhou, W. Cui, M. Liu, “Surface roughness evolution induced low secondary electron yield in carbon coated Ag / Al substrates for space microwave devices, Applied Surface Science, volume 501, 31 January 2020, 144236, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144236].
Однако известные покрытия характеризуются сложностью их нанесения и обработки, плохой адгезией покрытия к детали, технически сложными процессами модификации поверхности, а также недостаточно низким коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Кроме того, для нанесения таких покрытий, как правило, используют метод магнетронного напыления, который накладывает существенные ограничения на форму обрабатываемой поверхности, не обеспечивая получения качественного покрытия на деталях сложной формы.However, the known coatings are characterized by the complexity of their application and processing, poor adhesion of the coating to the part, technically complex surface modification processes, and also an insufficiently low coefficient of secondary electron emission. In addition, for the deposition of such coatings, as a rule, the method of magnetron sputtering is used, which imposes significant restrictions on the shape of the surface to be treated, without providing a high-quality coating on parts of complex shape.
Известен способ обработки поверхности деталей электронных приборов из пиролитического графита для снижения коэффициента вторичной электронной эмиссии при изготовлении (патент RU2024095), включающий термообработку поверхности детали в восстановительной среде с точкой росы +10…+25°С при температуре 1100-1200°С в течение 20-30 мин. Данное решение касается получения текстурированных поверхностей таких изделий электронной техники, как коллекторы и управляющие сетки, изготовленные из пирографита. Сущность изобретения основана на проведении реакции взаимодействия углерода с парами воды при повышенных температурах. Данная обработка позволяет получать изделия любой геометрической формы и любых размеров (соответствующих размерам оборудования). Однако данный способ имеет ограничения по применению, т.к. может быть использован только если в составе прибора есть изделия из текстурированного пирографита. Одним из важнейших свойств пиролитического графита, связанных со структурой материала и определяющих эффективность его использования для изготовления электродов коллектора и управляющих сеток, является КВЭЭ. Дальнейшее улучшение вторично-эмиссионных характеристик пиролитического графита может быть получено за счет специальной обработки его поверхности. A known method of surface treatment of parts of electronic devices made of pyrolytic graphite to reduce the coefficient of secondary electron emission during manufacture (patent RU2024095), including heat treatment of the surface of the part in a reducing environment with a dew point of + 10 ... + 25 ° C at a temperature of 1100-1200 ° C for 20 -30 minutes. This solution concerns the obtaining of textured surfaces of electronic products such as collectors and control grids made of pyrographite. The essence of the invention is based on the reaction of interaction of carbon with water vapor at elevated temperatures. This processing allows you to get products of any geometric shape and any size (corresponding to the size of the equipment). However, this method has limitations in its application, because can only be used if the device contains textured pyrographite products. One of the most important properties of pyrolytic graphite, associated with the structure of the material and determining the efficiency of its use for the manufacture of collector electrodes and control grids, is KVEE. Further improvement of the secondary emission characteristics of pyrolytic graphite can be obtained by special treatment of its surface.
Из уровня техники известно получение текстурированной поверхности пиролитического графита (US4417175A), для чего осуществляют ионную бомбардировку поверхности и обработку в плазме, после чего резко изменяется микроструктура поверхности пиролитического графита: она приобретает вид высоких плотно расположенных тонких конусообразных игл. Экспериментальные измерения показали, что КВЭЭ таких образцов в интервале энергии первичных электронов от 300 до 2000 эВ меньше 0.35, а для нетекстурированного графита при энергии электронов 500 эВ этот параметр равен 0.8. К недостаткам данного способа следует отнести, во-первых, невозможность обработки конических, сферических и других поверхностей сложной формы, во-вторых, ионная бомбардировка ведет к частичной потери прочности материала, а также к созданию напряженного состояния изделия, что отрицательно сказывается при последующих термических воздействиях, например металлизации и пайке, приводя в дальнейшем к растрескиванию и разрушению материала.It is known from the prior art to obtain a textured surface of pyrolytic graphite (US4417175A), for which ion bombardment of the surface and plasma treatment are carried out, after which the microstructure of the pyrolytic graphite surface changes dramatically: it takes the form of high densely spaced thin conical needles. Experimental measurements have shown that the EEC of such samples in the range of primary electron energies from 300 to 2000 eV is less than 0.35, and for non-textured graphite at an electron energy of 500 eV, this parameter is 0.8. The disadvantages of this method include, firstly, the impossibility of processing conical, spherical and other surfaces of complex shapes, and secondly, ion bombardment leads to a partial loss of material strength, as well as to the creation of a stressed state of the product, which negatively affects subsequent thermal effects , for example, metallization and brazing, leading to further cracking and destruction of the material.
Мультипакторный эффект - это явление в радиочастотных (РЧ) усилителях вакуумных трубок и волноводов, где при определенных условиях вторичная электронная эмиссия в резонансе с переменным электрическим полем приводит к экспоненциальному росту электронов, повреждая и даже разрушая РЧ-устройство. Эффект мультипактора устанавливает одно из основных ограничений рабочей мощности РЧ-устройств в космосе. Для устранения этого эффекта используют покрытия из MnZn, NiZn, нитрида титана, нитрида хрома и нитрида углерода [I. Montero, F. Caspers, L. Aguilera, L. 
Вторичная электронная эмиссия (Secondary electron emission - SEE) с диэлектрических и металлических поверхностей при бомбардировке потоком падающих электронов имеет значение для многих применений, где энергия падающих электронов может достигать десятков или сотен электрон-вольт. В этих условиях выход вторичной электронной эмиссии может превышать единицу и, следовательно, сильно изменять заряд стенок или вызывать размножение вторичных электронных популяций. Данная проблема играет особенно важную роль в ускорителях частиц, где облака вторичных электронов влияют на транспорт пучка частиц [L. Wanget al., “Suppression of secondary electron emission using triangular grooved surface in the ILC dipole and wiggler magnets,” Proceedings of the Particle Accelerator Conference (PAC), Albuquerque, NM, USA, 25-29 June 2007; M.T.F. Piviet al., “Sharp reduction of the secondary electron emission yield from grooved surfaces, ”J. Appl. Phys.104, 104904 (2008); Y. Suetsuguet al., “Experimental studies on grooved surfaces to suppress secondary electron emission,” in Proceedings of the International Particle Accelerator Conference (IPAC’10), Kyoto, Japan (2010), pp. 2021-2023]. Также известно, что процесс вторичной электронной эмиссии негативно влияет на работу электростатического ракетного двигателя на эффекте Холла из-за вклада в так называемую пристеночную проводимость или из-за уменьшения потенциала стенки и увеличения потерь энергии в плазме [Y.Raitseset al., “Effect of secondary electron emission on electron crossfield current in ExB discharges,” IEEE Trans. Plasma Sci. 39, 995 (2011)]. Для подавления паразитного влияния вторичной электронной эмиссии в таком двигателе используют шероховатые углеродные покрытия. Коэффициент ВЭЭ таких покрытий может достигать значения 0.97 при энергии падающего пучка 200 эВ.Secondary electron emission (SEE) from dielectric and metal surfaces when bombarded by a stream of incident electrons is important for many applications, where the energy of the incident electrons can reach tens or hundreds of electron volts. Under these conditions, the secondary electron emission yield can exceed unity and, therefore, strongly change the wall charge or cause the multiplication of secondary electron populations. This problem plays a particularly important role in particle accelerators, where secondary electron clouds affect the transport of the particle beam [L. Wanget al., “Suppression of secondary electron emission using triangular grooved surface in the ILC dipole and wiggler magnets,” Proceedings of the Particle Accelerator Conference (PAC), Albuquerque, NM, USA, June 25-29, 2007; M.T.F. Piviet al., “Sharp reduction of the secondary electron emission yield from grooved surfaces,” J. Appl. Phys. 104, 104904 (2008); Y. Suetsuguet al., “Experimental studies on grooved surfaces to suppress secondary electron emission,” in Proceedings of the International Particle Accelerator Conference (IPAC'10), Kyoto, Japan (2010), pp. 2021-2023]. It is also known that the process of secondary electron emission negatively affects the operation of an electrostatic rocket engine on the Hall effect due to the contribution to the so-called wall conductivity or due to a decrease in the wall potential and an increase in energy losses in the plasma [Y. Raitseset al., “Effect of secondary electron emission on electron crossfield current in ExB discharges, ”IEEE Trans. Plasma Sci. 39, 995 (2011)]. To suppress the parasitic effect of secondary electron emission in such an engine, rough carbon coatings are used. The SEE coefficient of such coatings can reach 0.97 at an incident beam energy of 200 eV.
Известен способ получения наноструктурированного углеродного покрытия (RU 2565199), который может быть использован для создания покрытий, позволяющих снизить коэффициент вторичной эмиссии электронов в СВЧ-устройствах. Способ включает обработку пластин с помощью разрядов, обеспечивающих формирование микрорельефа, затем нагревают пластину до 50-60°С, покрывают ее слоем коллоидного раствора углерода в спирте и испаряют до образования пленки 1-2 мкм. Однако данный способ не применим для обработки деталей сложной формы. Кроме того, в способе используется импульсный высоковольтный многоэлектродный разряд для получения непосредственно коллоидного раствора углерода в спирте.A known method of producing a nanostructured carbon coating (RU 2565199), which can be used to create coatings that reduce the coefficient of secondary electron emission in microwave devices. The method includes processing the plates using discharges providing the formation of microrelief, then heating the plate to 50-60 ° C, covering it with a layer of a colloidal solution of carbon in alcohol and evaporating until a film of 1-2 μm is formed. However, this method is not applicable for processing parts of complex shape. In addition, the method uses a pulsed high-voltage multi-electrode discharge to directly obtain a colloidal solution of carbon in alcohol.
Наиболее близким решением к заявляемому изобретению является анод с покрытием из углеродных нанотрубок (US 6645628). Для снижения вторичной электронной эмиссии поверхность вакуумной трубки анода/коллектора покрывают карбонизируемой смолой, которая при нагревании оставляет только углерод, обжигают при температуре около 700°С в неокисляющей атмосфере, затем путем химического осаждения из газовой фазы синтезируют углеродные нанотрубки на поверхности. В данном изобретении важным является необходимость обеспечения расположения части нанотрубок параллельно поверхности анода. Так как электроны плотно связаны на p-орбитах в поперечном направлении, то такое расположение будет способствовать уменьшению количества вторичных электронов. Недостатком данного способа является синтез углеродных нанотрубок на всей поверхности анода/коллектора, что может вызывать технические трудности при реализации, так как химическое газофазное осаждение должно осуществляться в специальной камере при высокой температуре без доступа воздуха.The closest solution to the claimed invention is an anode coated with carbon nanotubes (US 6645628). To reduce secondary electron emission, the surface of the anode / collector vacuum tube is coated with a carbonizable resin, which, when heated, leaves only carbon, is fired at a temperature of about 700 ° C in a non-oxidizing atmosphere, then carbon nanotubes are synthesized on the surface by chemical vapor deposition. In this invention, it is important to ensure that a part of the nanotubes are located parallel to the anode surface. Since the electrons are tightly bound in p-orbits in the transverse direction, this arrangement will contribute to a decrease in the number of secondary electrons. The disadvantage of this method is the synthesis of carbon nanotubes on the entire surface of the anode / collector, which can cause technical difficulties in implementation, since chemical vapor deposition must be carried out in a special chamber at high temperatures without air access.
В данном способе, так же, как и в заявляемом техническом решении, снижение вторичной электронной эмиссии реализуется посредством нанесения углеродных нанотрубок на поверхность анода/коллектора. Однако известный способ требует высокотемпературного обжига детали (около 700°С), что может отрицательно сказываться на физико-химических свойствах детали. Также известный способ может быть технически сложно реализуем для деталей больших размеров.In this method, as well as in the claimed technical solution, the reduction of secondary electron emission is realized by applying carbon nanotubes to the surface of the anode / collector. However, the known method requires high-temperature firing of the part (about 700 ° C), which can adversely affect the physicochemical properties of the part. Also, the known method can be technically difficult to implement for large parts.
Технической проблемой является получение качественного антидинатронного покрытия на деталях, имеющих различную форму (не только плоские образцы), при упрощении способа его нанесения без необходимости использования высокотемпературной обработки детали.A technical problem is to obtain a high-quality antidynatron coating on parts with different shapes (not only flat samples), while simplifying the method of its application without the need for high-temperature treatment of the part.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Техническим результатом изобретения является получение антидинатронного покрытия, характеризующегося коэффициентом вторичной электронной эмиссии σ≤0.1, который достигается:The technical result of the invention is to obtain an antidynatron coating characterized by a coefficient of secondary electron emission σ≤0.1, which is achieved:
при энергии облучающих электронов 5 кэВ < E0 ≤ 30 кэВ, использовании токов I0≥1 нА, за время не более 2 секунд;at an energy of irradiating electrons of 5 keV <E 0 ≤ 30 keV, using currents I 0 ≥ 1 nA, for a time not exceeding 2 seconds;
при энергии 10 кэВ < E0 ≤ 30 кэВ, использовании токов 10 пА < I0 < 1 нА, за время менее 1 секунды; at an energy of 10 keV <E 0 ≤ 30 keV, using currents of 10 pA <I 0 <1 nA, in less than 1 second;
при энергии 1 кэВ ≤ E0 ≤ 10 кэВ, использовании токов 10 пА < I0 < 1 нА, при этом в начальный момент времени коэффициент ВЭЭ не превышает значение σ < 0.7, а достижение такого значения КВЭЭ происходит за время до 3 минут.at an energy of 1 keV ≤ E 0 ≤ 10 keV, using currents of 10 pA <I 0 <1 nA, while at the initial moment of time, the SEE coefficient does not exceed the value of σ <0.7, and the achievement of such a CEE value occurs in up to 3 minutes.
Технический результат достигается при формировании на поверхности детали антидинатронного покрытия, включающего, по меньшей мере, один слой (первый слой) из композитного материала, представляющего собой полимерную матрицу с включением многостенных ориентированных углеродных нанотрубок диаметром от 8 нм и до 250 нм, выполненный толщиной от 0.1 до 1 мм, с плотностью массива ориентированных углеродных нанотрубок от 0.5 до 1 г/см3. с количеством нанотрубок от 5 до 20 масс.% от массы композитного материала. The technical result is achieved by forming an antidynatron coating on the surface of the part, including at least one layer (first layer) of a composite material, which is a polymer matrix with the inclusion of multi-walled oriented carbon nanotubes with a diameter of 8 nm and up to 250 nm, made with a thickness of 0.1 up to 1 mm, with the density of the array of oriented carbon nanotubes from 0.5 to 1 g / cm 3 . with the number of nanotubes from 5 to 20 mass% of the mass of the composite material.
Антидинатронное покрытие может содержать два слоя композитного материала, при этом второй слой, размещенный под первым слоем, представляет собой полимерную матрицу с включением многостенных неориентированных углеродных нанотрубок диаметром от 8 нм и до 250 нм, выполненный толщиной от 0.1 до 1 мм, с количеством нанотрубок от 5 до 20 масс.% от массы композитного материала.The antidynatron coating can contain two layers of composite material, while the second layer, located under the first layer, is a polymer matrix with the inclusion of multi-walled unoriented carbon nanotubes with a diameter of 8 nm to 250 nm, made with a thickness of 0.1 to 1 mm, with the number of nanotubes from 5 to 20 mass% of the mass of the composite material.
В качестве полимерной матрицы могут быть использованы эпоксидно-диановые смолы, полиуретаны, лаки, обеспечивающие возможность пропитки массива углеродных нанотрубок.Epoxy-diane resins, polyurethanes, varnishes, which provide the possibility of impregnating an array of carbon nanotubes, can be used as a polymer matrix.
Технический результат достигается также при использовании способа получения антидинатронного покрытия, включающего формирование на поверхности детали слоя из композитного материала, представляющего собой полимерную матрицу с включением многостенных ориентированных углеродных нанотрубок диаметром от 8 нм и до 250 нм, для чего многостенные ориентированные углеродные нанотрубки в количестве от 5 до 20 масс.% от массы композитного материала наносят на поверхность детали, с последующей их пропиткой полимером, и выдерживанием до полимеризации композитного материала на поверхности детали, после чего верхний слой получившегося покрытия, не содержащего нанотрубки, снимают до слоя композита, содержащего углеродные нанотрубки.The technical result is also achieved by using a method for producing an antidynatron coating, including the formation on the surface of a part of a layer of a composite material, which is a polymer matrix with the inclusion of multi-walled oriented carbon nanotubes with a diameter of 8 nm and up to 250 nm, for which multi-walled oriented carbon nanotubes in an amount of 5 up to 20 mass% of the mass of the composite material is applied to the surface of the part, followed by their impregnation with the polymer, and holding until the polymerization of the composite material on the surface of the part, after which the upper layer of the resulting coating, which does not contain nanotubes, is removed to the layer of the composite containing carbon nanotubes.
В качестве полимерной матрицы используют двухкомпонентную эпоксидно-диановую смолу с исходной вязкостью до 20 Па⋅с и менее. A two-component epoxy-diane resin with an initial viscosity of up to 20 Pa⋅s and less is used as a polymer matrix.
В другом варианте осуществления изобретения перед формированием на поверхности детали слоя из композитного материала, включающего ориентированные нанотрубки, на поверхности детали формируют слой из композитного материала, представляющего собой полимерную матрицу с включением многостенных неориентированных углеродных нанотрубок диаметром от 8 нм и до 250 нм, для чего смешивают компоненты полимера и навеску углеродных нанотрубок в количестве от 5 до 20 масс.% от массы композитного материала, полученную смесь подвергают ультразвуковому диспергированию в течение 5 минут при 60°С, после чего покрывают поверхность детали.In another embodiment of the invention, before forming on the surface of the part a layer of a composite material including oriented nanotubes, a layer of a composite material is formed on the surface of the part, which is a polymer matrix with the inclusion of multi-walled unoriented carbon nanotubes with a diameter of 8 nm to 250 nm, for which they mix polymer components and a weighed amount of carbon nanotubes in an amount from 5 to 20 wt.% of the weight of the composite material, the resulting mixture is subjected to ultrasonic dispersion for 5 minutes at 60 ° C, after which the surface of the part is coated.
Изобретение позволяет с помощью покрытия, состоящего из углеродных нанотрубок, внедренных в полимерную матрицу, модифицировать материал с целью уменьшения коэффициента вторичной электронной эмиссии (получить антидинатронный эффект).The invention makes it possible, with the help of a coating consisting of carbon nanotubes embedded in a polymer matrix, to modify the material in order to reduce the coefficient of secondary electron emission (to obtain an antidinatron effect).
Применение композитных пленок на полимерной основе (например, эпоксидно-диановых смол) с включением УНТ в качестве покрытий в электронных спектрометрах позволяет убрать вторичную электронную эмиссию с обкладок спектрометра, и, как следствие, улучшить соотношение полезного сигнала к фону. Данный способ может быть использован для получения антидинатронных покрытий на различных деталях, является достаточно простым, а получаемое покрытие является эффективным для подавления вторичной электронной эмиссии, что позволяет эффективнее использовать СВЧ и РЧ устройства.The use of polymer-based composite films (for example, epoxy-diane resins) with the inclusion of CNTs as coatings in electronic spectrometers makes it possible to remove secondary electron emission from the spectrometer plates and, as a consequence, improve the ratio of the useful signal to the background. This method can be used to obtain antidynatron coatings on various parts, is quite simple, and the resulting coating is effective for suppressing secondary electron emission, which makes it possible to more efficiently use microwave and RF devices.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), углеродных нанотрубок (слева) и композита с углеродными нанотрубками (справа); на фиг. 2 представлена схема проведения экспериментов для получения основных характеристик процесса зарядки образцов (1 - электронный зонд сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), 2 - образец, 3 - металлическая подложка образца, 4 - защитный экранирующий корпус, 5 - сектор тороидального электронного спектрометра, 6 - выходная диафрагма, 7 - микроканальная пластина (МКП), 8 - управляющий персональный компьютер (ПК), 9 - цилиндр Фарадея, 10 - наноамперметр, 11 - усеченный полусферический коллектор электронов, 12 - наноамперметр или электрометр); на фиг. 3 представлены характеристики зарядки чистой смолы и токовые характеристики зарядки полимерного композита с примесью УНТ. The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows images obtained with a scanning electron microscope (SEM), carbon nanotubes (left) and a composite with carbon nanotubes (right); in fig. 2 shows a diagram of experiments to obtain the main characteristics of the sample charging process (1 - scanning electron microscope (SEM) electron probe, 2 - sample, 3 - metal substrate of the sample, 4 - protective shielding case, 5 - sector of a toroidal electron spectrometer, 6 - output diaphragm, 7 - microchannel plate (MCP), 8 - control personal computer (PC), 9 - Faraday cylinder, 10 - nanoammeter, 11 - truncated hemispherical electron collector, 12 - nanoammeter or electrometer); in fig. 3 shows the characteristics of charging a pure resin and the current characteristics of charging a polymer composite doped with CNTs.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Ниже представлено более детальное описание получения антидинатронного покрытия в виде слоя из композитного материала, представляющего собой полимерную матрицу с включением многостенных вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Покрытие может содержать второй слой из композитного материала, который в отличие от первого слоя включает неориентированные углеродные нанотрубки. При выполнении покрытия из двух слоев, сначала на поверхность детали наносят слой из полимерного материла, содержащего неориентированные УНТ, затем уже на поверхность полученного слоя наносят слой полимерного материала, содержащего вертикально ориентированные УНТ. Below is a more detailed description of obtaining an antidinatron coating in the form of a layer of a composite material, which is a polymer matrix with the inclusion of multi-walled vertically oriented carbon nanotubes. The coating may contain a second layer of composite material, which, unlike the first layer, includes non-oriented carbon nanotubes. When making a coating of two layers, first a layer of polymer material containing unoriented CNTs is applied to the surface of the part, then a layer of polymer material containing vertically oriented CNTs is applied to the surface of the resulting layer.
Для получения композитов (композиционных материалов) могут быть использованы любые полимеры, вязкость которых до полимеризации в процессе изготовления композита с углеродными нанотрубками позволяет равномерно распределить нанотрубки по полимерной матрице или пропитать массив ориентированных углеродных нанотрубок, а также осуществить покрытие полученным композитом поверхности детали для снижения коэффициента вторичной электронной эмиссии. Такими свойствами обладают эпоксидно-диановые смолы, полиуретаны, а также лаки КО-916, К-67-РК и другие полимеры, позволяющие осуществить пропитку массива углеродных нанотрубок.To obtain composites (composite materials), any polymers can be used, the viscosity of which before polymerization in the process of manufacturing a composite with carbon nanotubes makes it possible to uniformly distribute nanotubes over a polymer matrix or impregnate an array of oriented carbon nanotubes, as well as to cover the surface of the part with the resulting composite to reduce electronic emission. Such properties are possessed by epoxy-diane resins, polyurethanes, as well as varnishes KO-916, K-67-RK and other polymers that allow impregnation of an array of carbon nanotubes.
В способе могут быть использованы ориентированные и неориентированные нанотрубки диаметром от 8 нм до 250 нм. Плотность самоподдерживающегося массива ориентированных углеродных нанотрубок может составлять от 0.5 до 1 г/см3. Количественное содержание нанотрубок в составе композита составляет от 5 до 20 масс.%.The method can be used oriented and unoriented nanotubes with a diameter of 8 nm to 250 nm. The density of a self-sustaining array of oriented carbon nanotubes can range from 0.5 to 1 g / cm 3 . The quantitative content of nanotubes in the composite is from 5 to 20 wt%.
Для формирования слоя на поверхности детали из неориентированных нанотрубок предварительно готовят композит, для чего смешивают необходимое количество порошка углеродных нанотрубок (от 5 до 20% масс. от массы получаемого композита) и компоненты полимера (например, для двухкомпонентной эпоксидной смолы - отвердитель и олигомеры, содержащие эпоксидные группы, в процентном содержании по инструкции к конкретной марке). Компоненты механически перемешивают для обеспечения равномерного распределения нанотрубок в составе композиции и помещают в ультразвуковую ванну на 5 минут при температуре 50-60°С для дегазации и улучшения диспергирования нанотрубок по полимерной матрице. Полученным раствором покрывают поверхность детали. Второй слой может быть нанесен на поверхность первого слоя либо сразу после его формирования, либо после полимеризации композита первого слоя (примерно через 24 часа при использовании эпоксидной смолы). После полимеризации композита первого слоя с поверхности детали перед нанесением второго слоя поверхность шлифуют (например, с помощью шлифовального алмазного бруска) до слоя композита, содержащего углеродные нанотрубки.To form a layer on the surface of a part of non-oriented nanotubes, a composite is preliminarily prepared by mixing the required amount of carbon nanotube powder (from 5 to 20 wt% of the mass of the resulting composite) and polymer components (for example, for a two-component epoxy resin - a hardener and oligomers containing epoxy groups, in percentage according to the instructions for a particular brand). The components are mechanically mixed to ensure a uniform distribution of nanotubes in the composition and placed in an ultrasonic bath for 5 minutes at a temperature of 50-60 ° C to degass and improve the dispersion of nanotubes in the polymer matrix. The resulting solution is coated on the surface of the part. The second layer can be applied to the surface of the first layer either immediately after its formation, or after the composite of the first layer has polymerized (after about 24 hours when using an epoxy resin). After polymerization of the composite of the first layer from the surface of the part, before applying the second layer, the surface is ground (for example, using a grinding diamond bar) to a composite layer containing carbon nanotubes.
Для формирования на поверхности детали слоя композиционного материала, включающего ориентированные нанотрубки, используют массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, который получают в результате синтеза на подложке из кремния (нанотрубки расположены перпендикулярно подложке). Массив нанотрубок отделяют от подложки, например, с помощью скальпеля, и переносят на поверхность обрабатываемой детали, например, с помощью пинцета, затем пропитывают предварительно подготовленным полимером. Например, при использовании в качестве полимера двухкомпонентной эпоксидно-диановой смолы смешивают компоненты полимера - отвердитель и олигомер, содержащий эпоксидные группы, в процентном содержании по инструкции к конкретной марке. Ориентированные углеродные нанотрубки в массивах расположены достаточно близко друг к другу, в связи с этим для их качественной пропитки полимером снижают его вязкость, например, кратковременным нагревом (для эпоксидной смолы 60°С в течение 5 минут), не влияющим на дальнейшие механические характеристики композита, в отличие от добавления различных растворителей. При этом нагрев уменьшает время работы со смолой, ускоряя процесс ее полимеризации. Пропитку массива УНТ подготовленным еще не полимеризованным полимером проводят капельным методом (небольшими каплями) с целью минимизации воздействия на структуру и однородность массива нанотрубок до полного покрытия детали. Деталь с нанесенным слоем композиционного материала выдерживают до его полной полимеризации, после чего верхний слой получившегося покрытия, не содержащего нанотрубки, снимают до слоя композита, содержащего углеродные нанотрубки. Содержание нанотрубок в составе композита составляет от 5 до 20 масс.%.To form a layer of a composite material on the surface of a part, including oriented nanotubes, an array of vertically oriented carbon nanotubes is used, which is obtained as a result of synthesis on a silicon substrate (nanotubes are located perpendicular to the substrate). The array of nanotubes is separated from the substrate, for example, using a scalpel, and transferred to the surface of the workpiece, for example, using tweezers, and then impregnated with a previously prepared polymer. For example, when a two-component epoxy-diane resin is used as a polymer, the polymer components are mixed - a hardener and an oligomer containing epoxy groups, in percentage according to the instructions for a particular brand. Oriented carbon nanotubes in arrays are located quite close to each other, therefore, for their high-quality impregnation with a polymer, its viscosity is reduced, for example, by short-term heating (for epoxy resin 60 ° C for 5 minutes), which does not affect the further mechanical characteristics of the composite, as opposed to adding various solvents. At the same time, heating reduces the time of working with the resin, accelerating the process of its polymerization. The impregnation of the CNT array with the prepared unpolymerized polymer is carried out by the drop method (small drops) in order to minimize the effect on the structure and homogeneity of the nanotube array until the part is completely covered. The part with the applied layer of the composite material is kept until its complete polymerization, after which the upper layer of the resulting coating, which does not contain nanotubes, is removed to the layer of the composite containing carbon nanotubes. The content of nanotubes in the composite is from 5 to 20 wt%.
Наличие углеродных нанотрубок на поверхности детали может быть проверено с помощью сканирующей электронной микроскопии (см. фиг. 1 справа), или с использованием метода комбинационного рассеяния.The presence of carbon nanotubes on the surface of the part can be checked using scanning electron microscopy (see Fig. 1 on the right), or using the method of Raman scattering.
Эксперименты по измерению кинетики зарядки образцов деталей с антидинатронным покрытием, сформированным заявляемым способом, проводились при помощи электронно-зондового измерительного комплекса на базе сканирующего электронного микроскопа LEO 1455VP [E.I. Rau, A.A. Tatarintsev, V.E. Yurasova, V.V. Khvostov. Secondary electron emission and charging characteristics of ionirradiated sapphire.Vacuum, 129:142-147, 2016, A.A. Tatarintsev, K.E. Markovets, and E.I. Rau. Charging and domain switching in ferroelectrics LiNbO3 by electron beam.Journal of Physics D - Applied Physics, (52):115104, 2019]. Данный комплекс позволяет контролируемо облучать изучаемые образцы различными дозами электронов с различной начальной энергией E0 и одновременно измерять в режиме реального времени все основные характеристики параметров зарядки в диапазоне тока первичного пучка от 10 пА до 1000 пА на площадку облучения 100х100 мкм2, что дает плотность заряжающего тока j0=10-5-10-7 А/см2. Основной частью экспериментальной установки является сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), позволяющий заряжать исследуемые образцы фиксированной плотностью тока в широком диапазоне энергий - от 200 эВ до 30 кэВ. Поверхностный потенциал зарядки образцов VS измерялся по сдвигу спектров вторичных электронов при помощи тороидального электростатического спектрометра. Ток эмиссии Iσ измерялся при помощи полусферического коллектора электронов при помощи наноамперметра Keithley 6485. Сумма тока смещения (аккумулированного заряда) и тока утечки IL+D измерялась с подложки, на которой устанавливался образец, при помощи другого наноамперметра Keithley 6485. При этом как показали результаты, если исходная смола (без наполнения углеродными нанотрубками) заряжается, а коэффициент вторичной электронной эмиссии σ≈1, то добавление примеси УНТ до 20% масс. от массы всего композита приводит к отсутствию зарядки полученных композитных материалов и при этом коэффициент ВЭЭ уменьшается на порядок.Experiments to measure the kinetics of charging samples of parts with an antidynatron coating formed by the inventive method were carried out using an electron probe measuring complex based on a scanning electron microscope LEO 1455VP [EI Rau, AA Tatarintsev, VE Yurasova, VV Khvostov. Secondary electron emission and charging characteristics of ionirradiated sapphire.Vacuum, 129: 142-147, 2016, AA Tatarintsev, KE Markovets, and EI Rau. Charging and domain switching in ferroelectrics LiNbO 3 by electron beam. Journal of Physics D - Applied Physics, (52): 115104, 2019]. This complex makes it possible to controllably irradiate the samples under study with various doses of electrons with different initial energies E 0 and simultaneously measure in real time all the main characteristics of the charging parameters in the range of the primary beam current from 10 pA to 1000 pA per irradiation area 100x100 μm 2 , which gives the density of the charging current j 0 = 10 -5 -10 -7 A / cm 2 . The main part of the experimental setup is a scanning electron microscope (SEM), which makes it possible to charge the samples under study with a fixed current density in a wide range of energies - from 200 eV to 30 keV. The surface charging potential of the samples V S was measured from the shift of the spectra of secondary electrons using a toroidal electrostatic spectrometer. The emission current I σ was measured using a hemispherical electron collector using a Keithley 6485 nanoammeter. The sum of the bias current (accumulated charge) and the leakage current I L + D was measured from the substrate on which the sample was mounted using another Keithley 6485 nanoammeter. results, if the initial resin (without filling with carbon nanotubes) is charged, and the coefficient of secondary electron emission σ≈1, then the addition of CNT impurities up to 20% of the mass. from the mass of the entire composite leads to the absence of charging of the obtained composite materials, and the SEE coefficient decreases by an order of magnitude.
На фиг. 2 представлена схема экспериментального устройства. Электронным зондом 1 СЭМ облучают образец 2, размещенный на металлической подложке 3 в защитном экранирующем корпусе 4, который предотвращает наводки на наномперметр (или электрометр) 12 тока утечки IL и тока смещения ID, а также уменьшает область засветки исследуемого образца третичными электронами. Также над образцом размещают полусферическую сетку, находящуюся в омическом контакте с крышкой корпуса 4. Часть вторичных и отраженных электронов проходят через секторный тороидальный спектрометр 5 с выходной щелевой диафрагмой 6 и регистрируются микроканальной пластиной 7. Микроканальная пластина (МКП) позволяет, в отличие от полупроводникового датчика, регистрировать вторичную эмиссию электронов с энергией вплоть до нескольких единиц эВ, что дает возможность исследовать области с низкой или даже положительной зарядкой (при подаче отрицательного смещения на держатель). Сигнал с МКП-детектора поступает на блок обработки, а затем на персональный компьютер (ПК) 8. Под управлением ПК включают электронный зонд СЭМ, и синхронно запускают пилообразное питание спектрометра, в результате чего автоматически регистрируют весь энергетический спектр эмитированных электронов dN/dE. Одновременно с помощью электрометра 12 регистрируют изменение тока смещения ID (или аккумулируемый заряд Q). Эмиссионную характеристику Iσ(t) фиксируют с помощью полусферического коллектора электронов 11 (см. фиг. 2 справа). Последовательно в измерительную цепь была включена батарея, подающая напряжение +35 В на полусферу, что обеспечивало эффективную регистрацию тока эмитированных диэлектриком электронов. Все токовые характеристики измерялись с помощью электрометра 12 Keithley 6514 и наноамперметра 10 Keithley 6485, позволяющие записывать данные на ПК 8 непосредственно в процессе измерения. При исследовании в области низких энергий, когда предполагалась положительная или нулевая зарядки мишени на подложку образца 3 подавали отрицательное смещение -35 В, позволяющее вторичным электронам, выходящим из образца, попадать в спектрометр 5. Ток первичного пучка электронов измеряли с помощью размещенного на столике цилиндра Фарадея 9.FIG. 2 shows a diagram of the experimental device. An
В качестве наполнителя полимерной матрицы были использованы массивы как ориентированных многостенных углеродных нанотрубок (УНТ), так и неориентированные УНТ в виде порошка. Для проведения исследования углеродные нанотрубки были синтезированы методом пиролитического газофазного осаждения (Synthesis and Electroconductivity of Epoxy/Aligned CNTs Composites» Chechenin N.G., Chernykh P.N., Vorobyeva E.A., Timofeev O.S. Applied Surface Science, том 275, с. 217-221, 2013).As a filler of the polymer matrix, we used arrays of both oriented multi-walled carbon nanotubes (CNTs) and unoriented CNTs in the form of a powder. For the study, carbon nanotubes were synthesized by pyrolytic gas-phase deposition (Synthesis and Electroconductivity of Epoxy / Aligned CNTs Composites »Chechenin N.G., Chernykh P.N., Vorobyeva E.A., Timofeev O.S. Applied Surface Science, vol. 275, pp. 217-221, 2013).
На фиг.3 представлены характеристики зарядки чистой смолы (слева) и токовые характеристики зарядки полимеров с примесью УНТ (справа).Figure 3 shows the charging characteristics of a pure resin (left) and the current characteristics of charging polymers doped with CNTs (right).
При облучении с энергией 5 кэВ эпоксидная смола без углеродных нанотрубок (кривые 14 и 15 на фиг.3 слева) быстро заряжается - отрицательный поверхностный потенциал достигает значения -2.1 кВ уже спустя 7 секунд, а затем в течение 30 секунд достигает равновесного значения -2.5 кВ. При этом значение тока утечки IL+D сравнительно быстро (за ~25-30 с) достигает равновесного значения <0.4 пА. When irradiated with an energy of 5 keV, the epoxy resin without carbon nanotubes (curves 14 and 15 in Fig. 3 on the left) quickly charges - the negative surface potential reaches a value of -2.1 kV already after 7 seconds, and then within 30 seconds reaches an equilibrium value of -2.5 kV ... In this case, the value of the leakage current I L + D relatively quickly (in ~ 25-30 s) reaches an equilibrium value of <0.4 pA.
Аналогичная ситуация для значений энергии падающего электронного пучка E0=10 кэВ (кривые 13 и 16 на фиг.3 слева) - равновесное значение потенциала -6.75 кВ достигается за время ~60 с, а уже спустя 30 с от начала облучения поверхностный потенциал достигает -6.4 кВ. Ток утечки в этом случае IL+D≈0.55 пА. Как видно из фиг. 3 (слева) чистая смола заряжается очень быстро даже при сравнительно небольших плотностях тока.A similar situation for the values of the incident electron beam energy E 0 = 10 keV (curves 13 and 16 in Fig. 3 on the left) - the equilibrium value of the potential of -6.75 kV is reached in a time of ~ 60 s, and already after 30 s from the beginning of irradiation, the surface potential reaches - 6.4 kV. The leakage current in this case is I L + D ≈0.55 pA. As seen in FIG. 3 (left), pure resin charges very quickly even at relatively low current densities.
При добавлении УНТ к полимерной матрице зарядки не происходит: спектр вторичных электронов ведет себя аналогичным образом, как на металлических образцах - смещения спектра нет. При этом регистрируется близкий к 90% от тока падающего пучка (см. фиг. 3 справа) ток с подложки IL+D. Оставшаяся часть электронов - отраженные электроны и вторичные электроны.When CNTs are added to the polymer matrix, no charging occurs: the spectrum of secondary electrons behaves in the same way as on metallic samples - there is no spectrum shift. In this case, a current from the substrate I L + D close to 90% of the incident beam current (see Fig. 3 on the right) is recorded. The rest of the electrons are reflected electrons and secondary electrons.
В результате проведенных исследований было определено, что для получения коэффициента вторичной электронной эмиссии σ≤0.1 необходимое количество углеродных нанотрубок (УНТ) должно составлять от 5 до 20% (масс.) от массы всего композита.As a result of the studies, it was determined that to obtain the coefficient of secondary electron emission σ≤0.1, the required amount of carbon nanotubes (CNTs) should be from 5 to 20% (mass.) Of the mass of the entire composite.
Ниже представлены варианты реализации заявляемого изобретения с различными параметрами технологического процесса и получаемого покрытия, подтверждающими достижение антидинатронного эффекта. Below are the options for implementing the claimed invention with various parameters of the technological process and the resulting coating, confirming the achievement of the antidinatron effect.
Пример 1. Example 1.
При осуществлении изобретения на поверхности образца было сформировано однослойное покрытие из композитного материала с толщиной 0.885 мм массива многостенных вертикально ориентированных углеродных нанотрубок диаметром от 100 до 180 нм. В качестве полимерной матрицы была использована двухкомпонентная эпоксидная смола L фирмы R&G, в качестве наполнителя был использован массив МУНТ, с плотностью массива ориентированных углеродных нанотрубок 0.87 г/см3. Содержание УНТ в составе композита составило 13% (масс.) от массы всего композита. Изготовление полимерной матрицы осуществлялось путем смешивания компонент эпоксидной смолы L c отвердителем L в процентном содержании по инструкции. Данная смесь имеет низкую вязкость, достаточную для пропитки массива ориентированных углеродных нанотрубок, при этом рабочее время со смолой ограничено 40 минутами. Данный метод подходит для обработки небольших площадей деталей. Нанесение покрытия осуществлялось путем переноса массива вертикально ориентированных МУНТ на деталь и дальнейшей пропиткой его подготовленной смесью эпоксидной смолы и отвердителя. После полной полимеризации покрытия верхний слой, не содержащий углеродные нанотрубки, был снят с помощью шлифования.During the implementation of the invention, a single-layer coating of a composite material with a thickness of 0.885 mm of an array of multi-walled vertically oriented carbon nanotubes with a diameter of 100 to 180 nm was formed on the surface of the sample. A two-component epoxy resin L from R&G was used as a polymer matrix; an array of MWCNTs with a density of an array of oriented carbon nanotubes of 0.87 g / cm 3 was used as a filler. The content of CNTs in the composition of the composite was 13% (mass) of the mass of the entire composite. The manufacture of the polymer matrix was carried out by mixing the components of the epoxy resin L with the hardener L in percentage according to the instructions. This mixture has a low viscosity sufficient to impregnate an array of oriented carbon nanotubes, while the working time with the resin is limited to 40 minutes. This method is suitable for processing small areas of parts. The coating was applied by transferring an array of vertically oriented MCNTs to the part and further impregnating it with a prepared mixture of epoxy resin and hardener. After complete polymerization of the coating, the top layer free of carbon nanotubes was removed by grinding.
При проведении испытаний полученного покрытия при использовании токов I0≥1 нА и энергии облучающих электронов E0 >5 кэВ (до 30 кэВ) коэффициент вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ) σ≤0.1 достигал своего значения за время не более 2 секунд (кривая 19 на фиг.3 справа).When testing the obtained coating using currents I 0 ≥1 nA and the energy of irradiating electrons E 0 > 5 keV (up to 30 keV), the secondary electron emission coefficient (SEE) σ≤0.1 reached its value in a time of no more than 2 seconds (
Пример 2.Example 2.
Для осуществления изобретения на поверхности образца было сформировано двухслойное покрытие из композитного материала с толщиной около 1 мм, состоящего из слоя эпоксидной смолы с неориентированными нанотрубками (около 0.15 мм) и слоя из массива (толщина слоя МУНТ около 0.65 мм, плотность массива 0.76 г/см3) многостенных вертикально ориентированных углеродных нанотрубок диаметром 40-70 нм. В качестве полимерной матрицы была использована двухкомпонентная эпоксидная смола ЭД-20 путем смешивания компонент в необходимом количестве по инструкции с отвердителем. Для формирования слоя на поверхности детали из неориантированных нанотрубок была приготовлена смесь 6.5% масс. навески порошка многостенных углеродных нанотрубок. Далее нанотрубки и компоненты смолы механически перемешивались, а также помещались в ультразвуковую ванну и подвергались нагреву до 60°С в течение 5 минут для снижения вязкости и улучшения распределения нанотрубок по полимерной матрице. Нанесение покрытия осуществлялось с помощью небольшой кисти. Затем на данный нанесенный слой помещался массив вертикально ориентированных МУНТ, который также пропитывался приготовленной смесью эпоксидной смолы. После полной полимеризации покрытия верхний слой, не содержащий углеродные нанотрубки, был снят с помощью шлифования.To implement the invention, a two-layer coating of a composite material with a thickness of about 1 mm was formed on the surface of the sample, consisting of a layer of epoxy resin with unoriented nanotubes (about 0.15 mm) and a layer from an array (thickness of the MWCNT layer is about 0.65 mm, density of the array is 0.76 g / cm 3 ) multi-walled vertically oriented carbon nanotubes with a diameter of 40-70 nm. As a polymer matrix, a two-component epoxy resin ED-20 was used by mixing the components in the required amount according to the instructions with a hardener. To form a layer on the surface of a part, a mixture of 6.5 wt% was prepared from nonoriented nanotubes. weighed portions of powder of multi-walled carbon nanotubes. Next, the nanotubes and resin components were mechanically mixed, and also placed in an ultrasonic bath and heated to 60 ° C for 5 minutes to reduce the viscosity and improve the distribution of nanotubes over the polymer matrix. Coating was done with a small brush. Then, an array of vertically oriented MWCNTs was placed on this deposited layer, which was also impregnated with the prepared mixture of epoxy resin. After complete polymerization of the coating, the top layer free of carbon nanotubes was removed by grinding.
При проведении испытаний полученного покрытия при использовании токов 10 пА < I0 < 1 нА и энергии облучающих электронов E0 >10 кэВ (до 30 кэВ) коэффициент ВЭЭ σ≤0.1 достигает свое значение за время менее 1 секунды (кривая 18 на фиг.3 справа).When testing the obtained coating using currents of 10 pA <I 0 <1 nA and the energy of irradiating electrons E 0 > 10 keV (up to 30 keV), the SEE coefficient σ≤0.1 reaches its value in less than 1 second (
Пример 3.Example 3.
Для осуществления изобретения на поверхности образца было сформировано однослойное покрытие из композитного материала с толщиной массива 0.46 мм многостенных вертикально ориентированных углеродных нанотрубок диаметром 8-50 нм. В качестве полимерной матрицы был использован лак кремнийорганический (лак КО-916 это раствор полиорганосилоксановой смолы, модифицированный полиэфиром в этилцеллозольве), в качестве наполнителя был использован массив МУНТ, с плотностью массива ориентированных нанотрубок 0.86 г/см3. Содержание УНТ в составе композита составило 16% (масс.) от массы всего композита. Нанесение покрытия осуществлялось путем переноса массива вертикально ориентированных МУНТ на деталь и дальнейшей пропиткой его лаком. Полученное покрытие подвергали термообработке согласно инструкции по использованию лака. После полной полимеризации покрытия верхний слой, не содержащий углеродные нанотрубки, был снят с помощью шлифования.To implement the invention, a single-layer coating was formed on the sample surface from a composite material with an array thickness of 0.46 mm of multi-walled vertically oriented carbon nanotubes with a diameter of 8-50 nm. The silicone varnish (varnish CO-916 is a solution of organopolysiloxane resin, modified polyester in ethyl cellosolve) was used as the polymer matrix, as filler was used MWCNT array, with the array oriented nanotube density 0.86 g / cm 3. The content of CNTs in the composition of the composite was 16% (mass.) Of the mass of the entire composite. The coating was applied by transferring an array of vertically oriented MCNTs to the part and further impregnating it with varnish. The resulting coating was subjected to heat treatment according to the instructions for use of the varnish. After complete polymerization of the coating, the top layer free of carbon nanotubes was removed by grinding.
При проведении испытаний полученного покрытия при использовании токов 10 пА < I0 < 1 нА и энергии облучающих электронов 1≤E0≤10 кэВ коэффициент ВЭЭ σ≤0.1 достигает свое значение за время до 3 минут. При этом в начальный момент времени коэффициент ВЭЭ не превышает значение σ<0.7 (кривая 17 на фиг.3 справа).When testing the obtained coating using currents of 10 pA <I 0 <1 nA and the energy of irradiating
Таким образом, заявляемый способ позволяет создавать качественные антидинатронные покрытия, для эффективного подавления нежелательного тока вторичной электронной эмиссии в вакуумных электроприборах, в электростатическом ракетном двигателе на эффекте Холла. Покрытия могут быть использованы в электронных спектрометрах с целью подавления вторичной электронной эмиссии на обкладках спектрометра (улучшение соотношения полезного сигнала к фону). Преимуществом данного способа является простота нанесения покрытия на любую поверхность сложной формы, отсутствие сложного оборудования/вакуумных камер/установок.Thus, the claimed method makes it possible to create high-quality antidynatron coatings for effective suppression of unwanted secondary electron emission current in vacuum electrical appliances, in an electrostatic rocket engine based on the Hall effect. The coatings can be used in electronic spectrometers in order to suppress secondary electron emission on the plates of the spectrometer (improving the ratio of the useful signal to the background). The advantage of this method is the simplicity of coating any surface of complex shape, the absence of complex equipment / vacuum chambers / installations.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020113354A RU2745976C1 (en) | 2020-04-13 | 2020-04-13 | Anti-dynatron coating based on a polymer matrix with the inclusion of carbon nanotubes and a method for its preparation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020113354A RU2745976C1 (en) | 2020-04-13 | 2020-04-13 | Anti-dynatron coating based on a polymer matrix with the inclusion of carbon nanotubes and a method for its preparation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2745976C1 true RU2745976C1 (en) | 2021-04-05 |
Family
ID=75353346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020113354A RU2745976C1 (en) | 2020-04-13 | 2020-04-13 | Anti-dynatron coating based on a polymer matrix with the inclusion of carbon nanotubes and a method for its preparation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2745976C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6645628B2 (en) * | 2001-11-13 | 2003-11-11 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Carbon nanotube coated anode |
| US6787122B2 (en) * | 2001-06-18 | 2004-09-07 | The University Of North Carolina At Chapel Hill | Method of making nanotube-based material with enhanced electron field emission properties |
| RU2520435C2 (en) * | 2012-05-30 | 2014-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Polymer nanocomposite with controlled anisotropy of carbon nanotubes and method of obtaining thereof |
| RU2717561C2 (en) * | 2015-08-27 | 2020-03-24 | Суррей Наносистемз Лимитед | Coating with low reflecting capacity, method and system for substrate coating |
-
2020
- 2020-04-13 RU RU2020113354A patent/RU2745976C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6787122B2 (en) * | 2001-06-18 | 2004-09-07 | The University Of North Carolina At Chapel Hill | Method of making nanotube-based material with enhanced electron field emission properties |
| US6645628B2 (en) * | 2001-11-13 | 2003-11-11 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Carbon nanotube coated anode |
| RU2520435C2 (en) * | 2012-05-30 | 2014-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Polymer nanocomposite with controlled anisotropy of carbon nanotubes and method of obtaining thereof |
| RU2717561C2 (en) * | 2015-08-27 | 2020-03-24 | Суррей Наносистемз Лимитед | Coating with low reflecting capacity, method and system for substrate coating |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Skog et al. | Guiding of highly charged ions through Al2O3 nano-capillaries | |
| Le Gressus et al. | Flashover in wide‐band‐gap high‐purity insulators: Methodology and mechanisms | |
| Zhou et al. | Mechanism of F2/N2 fluorination mitigating vacuum flashover of polymers | |
| Jbara et al. | Surface potential measurements of electron-irradiated insulators using backscattered and secondary electron spectra from an electrostatic toroidal spectrometer adapted for scanning electron microscope applications | |
| RU2745976C1 (en) | Anti-dynatron coating based on a polymer matrix with the inclusion of carbon nanotubes and a method for its preparation | |
| Deore et al. | Design, development and characterization of tetrode type electron gun system for generation of low energy electrons | |
| KR20130116004A (en) | A vaccum-sealed miniature x-ray tube based on carbon nanotube field emitters | |
| Rau et al. | Modification of the model of charging dielectrics under electron beam irradiation | |
| Sian et al. | Graphene coating for the reduction of the secondary electron yield | |
| Lim et al. | Reduction in surface resistivity of polymers by plasma source ion implantation | |
| Yamano et al. | Charging characteristics on dielectric surface by different charging processes in vacuum | |
| Brunbauer et al. | Nanodiamond photocathodes for MPGD-based single photon detectors at future EIC | |
| Baturin et al. | Investigation of copper samples with ion-plasma treatment on the high voltage breakdowns | |
| Savkin et al. | Sheet resistance of alumina ceramic after high energy implantation of tantalum ions | |
| Zolotukhin et al. | Electron-beam deposition of magneto-dielectric coatings in the forevacuum pressure range | |
| Thomson et al. | Electron emission properties of insulator materials pertinent to the International Space Station | |
| Bugaev et al. | Generation of boron ions for beam and plasma technologies | |
| Lee et al. | Secondary electron emission of MgO thin layers prepared by the spin coating method | |
| Mazurek et al. | Field emission from graphene produced with use of chemical vapor deposition method | |
| He et al. | Measurement of yield and spectrum of secondary electron emission and their characteristics under modification of conductive materials | |
| Qin et al. | The effect of temperature on charging behaviour of polyimide subjected to electron beam at vacuum | |
| Liu et al. | The DC surface flashover performance research of polyimide under low-energy electron irradiation environment | |
| Park et al. | Ballistic-mode plasma-based ion implantation for surface-resistivity modification of polyimide film | |
| Fakhfakh et al. | A new method for charge trapping measurement during electron beam irradiation: application to glass containing alkali ions and single-crystalline quartz | |
| Sokovnin et al. | Metal–ceramic cathode for nanosecond electron accelerators |