Самарский Государственный Аэрокосмический Университет имени академика С.П. Королева

Самарский Государственный Аэрокосмический Университетимени академика С.П. Королева

Моделирование механизма

термического испарения

многокомпонентных растворов в

динамическом испарителе.

Тонкие плёнки впервые Тонкие плёнки впервые были получены были получены Фарадеем в 1857г.Фарадеем в 1857г.

Далее тонкие плёнки применялись для физических исследований, и только с

совершенствованием вакуумного оборудования стало возможно

промышленное производство.

Например: Например: просветляющие покрытия, просветляющие покрытия, зеркала, зеркала,

интерференционные фильтры, интерференционные фильтры, электроннолучевые трубкиэлектроннолучевые трубки

и в производстве микроэлектроники, и в производстве микроэлектроники, наноэлектроники, нанопокрытий и

 нанокристаллографии..

В наше время тонкие плёнки получили широкое распространение во многих отраслях.

Технология напыления Технология напыления тонких плёнок.тонких плёнок.

Три основных этапа:Три основных этапа: Испарение Испарение

веществавещества Перемещение Перемещение

веществавещества Конденсирование Конденсирование

паров паров

веществавещества

Испарение веществ и Испарение веществ и соединений и сплавов.соединений и сплавов.

Основная проблема:Основная проблема: Достижение однородных, Достижение однородных,

точных по составу, при точных по составу, при этом равномерных по этом равномерных по толщине тонких плёнок. толщине тонких плёнок.

Основные требования к Основные требования к материалу испарителя.материалу испарителя.

незначительное (минимально незначительное (минимально возможное) давление возможное) давление насыщенного пара при рабочей насыщенного пара при рабочей температуре;температуре;

инертность по отношению к инертность по отношению к испаряемому материалу;испаряемому материалу;

обеспечение возможности обеспечение возможности изготовления различных изготовления различных конструкцииконструкции испарителей. испарителей.

Конструкции используемых Конструкции используемых испарителей. испарителей.

Предлагается Предлагается принципиально новая принципиально новая

конструкция конструкция динамического динамического

испарителя испарителя многокомпонентных многокомпонентных

растворов.растворов.

Динамический испаритель.

1

2 3

4

1.Нагревательный элемент2.Крышка испарителя3.Корпус испарителя4.Испаряемое вещество

Условно работу испарителя можно

разделить на три этапа:

Нагревание.Испарение вещества.Колебательные движения крышки

испарителя.

НАГРЕВАНИЕТеплопередача от нагревательного

элемента.Теплопередача осуществляется по

средством: Теплопроводности Теплового излучения Конвекция исключена, так как процесс происходит в

вакууме.

Теплопроводность.

Закон теплопроводности Фурье.

ГдеX – коэффициент теплопроводности материала тигля.S’ – площадь поверхности соприкосновения нагревательной спирали и тигля.

Тепловое излучение.Закон Стефана Больцмана

Гдеσ=5.6704*10-8 Вт/м2К4 константа больцмана.

T – температура нагревательного элемента.

ГдеS’’ – площадь поверхности нагревательного элемента.β – угол направления теплового излучения, направленного на испаритель.

Запишем уравнения теплового баланса.

Для спирали:

Для тигля:

Для испаряемого вещества:

Вид кривых нагревания элементов испарителя.

Тматериала

ТтигляТспирали

Испарение вещества.Зависимость давления паров от температуры в общем виде описывается уравнением: Lgp=AT-1+BlgT+CT+DT2+E

Справочник оператора по нанесению в вакууме/А.И.Костржицкий, В.Ф.Карпов, М.П.Кабанченко и др. – М.:Машиностроение, 1991. –176с.

Где A, B, C, D, E – константы, характерные для данного вещества.

При практических расчётах обычно ограничиваются коэффициентами A, B, E. Уравнение для атомов Cd и S имеет вид:

Lgp=-17800*T-1+8.77lgT-10.02,Lgp=-16600*T-1+8.35lgT-9.44

Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов. – М.: АН СССР, 1961. – 396 с.

Скорость испарения.Скорость испарения Vи, г/(см2с), всех веществ определяется давлением насыщенных паров p, мм рт. Ст., при температуре испарения Tи, испарения и молекулярной массой M вещества:

Технология тонких плёнок справочник, под редакцией Л.Майселла, Р.Гленга. Перевод с английского под редакцией М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. – Москва «Советское радио» 1977.–664с.

Масса газов в испарителе.

Где S’– площадь поверхности испарения.t’– время испарения , в случае для нашего испарителя t’=T(c)/2 (половина периода).

Зависимость силы давления от

координаты крышки.

S*=π*x2*tg2α

R=x*tgα

Зависимость эффективной площади давленияот координаты:

0 < R <Rиспарителяα

Rx

Уравнения движения

Запишем, согласно II закону Ньютона, силы действующие на

крышку.

Учитывая зависимость силы давления от координаты получим:

Давление газа действующее на крышку можно выразить из формулы:

Уравнение движения примет вид:

Введём коэффициент:

Результаты численного решение уравнения движения.

Регулировка параметров испарения с помощью изменения

крышки.Стехиометрический состав газа

внутри испарителя.Масса вырывающихся газов.Скорость вырывающихся газов.Направление распространения

вырывающихся газов.