Динамика пондеромоторных сил в ЭКУ

Процесс установления сил электроадгезии

Процесс установления сил электроадгезии Fa до равновесного состояния в плоском конденсаторе ЭКУ (схемной модели рис. 12.5) определяется рядом основных факторов как:

  • - время механической релаксации тмех.;
  • - время дипольной релаксации тр;
  • - время релаксации объемного миграционного заряда тм в диэлектрическом покрытии;
  • - время релаксации заряда т0 в воздушном зазоре d„ электрод - покрытие; - диэлектрическая проницаемость диэлектрического покрытия е,.;
  • - толщина покрытия - ширина воздушного зазора da, определяемая высотой микронеровностей профиля относительно средней линии (рис. 12.6);
  • - высота профиля при равновесии упругих сил в покрытии

^упр.

- отношение глубины залегания объемного заряда в диэлектрике к толщине покрытия а = x/Ln.

Все эти исходные данные определяются и сохраняются постоянными на протяжении всего численного расчета для конкретного вида ЭАК за исключением времени релаксации т0, которое зависит от изменяемых процессов, происходящих в зазоре d0 между покрытием и электродом за счет автоионизации и инжекции носителей заряда из разряда. При расчетах напряжение в зазоре U: не может быть выше предельного значения U„p, определяемого законом Пашена, т. е. в соответствии с алгоритмом расчета в зазоре оно уменьшается до выполнения условия U, = ипр. Быстродействие закрепления и открепления детали I (рис. 12.1) определяется временем релаксации для каждого слоя модели тр, тм и То, которые для полимерных композитов в этом ряду возрастают, т.е. тм = т0.

Анализ выражения (1) дает линейную зависимость Fa от значения относительной диэлектрической проницаемости ег диэлектрического покрытия. Исследования показали, что зависимость Fa от е, линейная лишь при малых значениях ?,. в узком диапазоне величин. Однако при увеличении ?,. более 4-8 зависимость переходит в сублинейную при дальнейшем её насыщении. Расчеты в соответствии с моделью (рис. 12.5) дают также линейную зависимость при ?, <6 с переходом в сублинейную и насыщением при ?, > 50. Здесь воздушный зазор d0 при t —+ «> (равный dyр) имеет малое значение (менее 1,0 мкм), что подавляет процессы пробоя в соответствии с кривой Пашена, а проявляются процессы автоэлектронной эмиссии электронов из электрода в диэлектрик. При высоких значениях ?, насыщение F$ связано в основном с перераспределением падения напряжения в диэлектрике 3 и воздушном зазоре do- С увеличением ?, происходит рост напряжения в воздушном зазоре, что приводит к его пробою и осаждению на поверхности диэлектрика гомозаряда. В соответствии с кривой Пашена электрическое ноле Е„ в воздушном зазоре da увеличивается до значения электрической прочности ^„р и величина гомозаряда начинает преобладать над гетерозарядом.

На рис. 12.8 представлены графики зависимости пондеро- моторного давления F„ в ЭКУ от толщины диэлектрика L„ при

Рис. 12.8.

различных значениях dvnp (согласно модели рис. 12.5) при U0= 1 ()()() В и е,.= 3.

На рис. 12.8 можно видеть динамику установления силы электроадгезии F„ в ЭКУ при различных значениях толщины диэлектрического покрытия L0 и его параметра упругости упр. Например, при толщине La диэлектрического покрытия равной ~ 100 мкм наблюдается увеличение значения dynp от 1 мкм до 5 мкм, что уменьшает величину Fs более чем на порядок. Особенно сильное влияние параметра dyup проявляется при малых толщинах диэлектрического слоя L0, когда величина воздушного зазора d„ сопоставима с La. При увеличении рабочего напряжения U0 в ЭКУ существенно ограничивается рост электроадгезии F„ из-за проявления электрических пробоев воздуха в зазоре da.

Так при малых напряжениях питания ?/о< 1000 5 величина F$ увеличивается пропорционально U„ в соответствии с формулой (12.1), но при дальнейшем увеличении (/„ рост Fa замедляется и наблюдается её некоторый спад из-за последствий инжекции заряда из электрода 1 в диэлектрик в межфазном контакте. Диапазон значений (/„, в котором зависимость Fa = /(U0 ) линейная, определяется распределением напряжений в диэлектрике и воздушном зазоре с/„ в соответствии с выражениями (12.13) и (12.14). Поэтому с увеличением г, пробои в зазоре с/„ возникают на ранней стадии установления F,, и её величина уменьшается, хотя при U0 < 800 В она растет вместе с е,.. Зависимость Fs от U„ для покрытий с разной толщиной показывает, что более тонкие покрытия обеспечивают большее значение электроадгезии F„.

На рис. 12.9 представлены графики зависимости величины электроадгезии F„ в ЭКУ с диэлектрической структурой на ос-

Рис. 12.9.

новс пластифицированного 11ВХ от значения величины действующего электрического поля Е в плоском конденсаторе.

Графики зависимости Fa получены при различной выдержке под постоянным электрическим напряжением U0 внешнего источника: 1 - 20 с; 2 - 60 с; 3 - 100 с; 4 - 600 с.

Зависимости Fa =f(E2) наглядно иллюстрируют динамику установления электроадгезионного усилия F„ в процессе закрепления детали в ЭКУ.

В результате экспериментальных исследований установлено, что процесс установления электроадгезии Fa в ЭКУ от времени t условно протекает в три основных этапа (рис. 12.9).

Первый - это скачок Fa в момент включения питания Ua при малых значениях 1> 0 н Е2, когда процессы поляризации в диэлектрике ещё не развились. Второй, линейный участок, характеризует процессы накопления миграционного заряда и поляризации при дрейфе заряда ионизованного в диэлектрике полем, а также ориентации молекулярных фрагментов в ПВХ. Третий участок проявляется в сильных электрических полях при больших временах (t > 100 с)» когда возникают процессы автоэмиссии гомозаряда из электродов в диэлектрик и ионизации пластификатора в ПВХ, которые в значительный степени усиливают перенос носителей заряда в диэлектрическом покрытии к поверхности слоя.

На начальной стадии зависимость Fa (/) имеет два участка линейной и нелинейной зависимости электропроводности диэлектрика от величины действующего электрического поля. Однако при большом времени установления Fa в области электроадгезионного контакта электрод - диэлектрик происходит перераспределение зарядов и достигается динамическое равновесие Fa за счет электрических и механических сил в контакте.

При выполнении диэлектрического слоя 3 рис. 12.5 в виде слоистой структуры, когда в приэлектродной (анодной) области создается дополнительный «барьерный слой» из полимера появляется возможность блокирования выхода на электрод дрейфующих подвижных молекулярных комплексов - катионов и тем самым удается существенно повысить значение Fa. Испытания подобного слоистого диэлектрика показывают существенное повышение усилия закрепления Fa и быстродействия по сравнению с однородным диэлектрическим покрытием на основе 11ВХ.

Быстродействие ЭКУ зависит от времени установления и спада номинального значения усилия закрепления и определяется в основном временем релаксации остаточной поляризации и неравновесного заряда в объеме диэлектрика.

После снятия электрического поля в ЭКУ (при отключении Un) протекают процессы релаксации избыточного и неравновесного остаточного заряда в слое диэлектрика за счет объемной электрической проводимости. Материал диэлектрика с более высокой удельной электрической проводимостью yv обеспечивает высокие значения Fu и быстродействие.

На рис. 12.10 представлены графики спада электроадгезии Fa /F0 в ЭКУ с ПВХ диэлектрическим покрытием из ПВХ в про-

Рис. 12.10.

цессе открепления детали-электрода (после отключения внешнего источника напряжения {/„). F0 - значение электроадгезии при / = 0. Покрытие из ПВХ содержит только пластификатор ДОФ-49,7 масс. % (кривая 1), а также дополнительно молекулярную добавку типа родамин 6Ж - 0,3 масс. % (кривая 2).

В ЭКУ с диэлектрическим композиционном покрытием на основе ПВХ малоподвижные катионы пластификатора в приповерхностном слое х и заряды захваченные на приповерхностных ловушках наполнителя медленно рекомбинируют в объеме полимера, вследствие чего величина Fs длительное время удерживается силами избыточного остаточного заряда (кривая 1 на рис. 12.10). При введении в диэлектрический слой на основе ПВХ низкомолекулярной ионогенной добавки тина родамин 6Ж, в его объеме создается подвижный неравновесный заряд, который способен компенсировать избыточный заряд остаточной поляризации (кривая 2 рис. 12.10). Ионогенная низкомолекулярная добавка родамин 6Ж в диэлектрическом покрытии ЭКУ существенно увеличивает быстродействие открепления детали.

В табл. 12.1 приведены результаты оценки влияния концентрации Сд низкомолекулярных донорно-акцепторных легирующих добавок на удельную объемную электрическую проводимость у. диэлектрического покрытия ЭКУ на основе пластифицированного ПВХ и на усилие закрепления F„.

Из табл. 12.1 видно, что легирующие молекулярные добавки типа родамин 6Ж и TCNQ в покрытии из Г1ВХ способствуют увеличению усилия закрепления Fs в ЭКУ до значений ~ 0,2 МПа. Внедренная в структуру полимерного композита ионногенная добавка играет важную роль в процессах релаксации заряда миграционной поляризации как при её установлении так и при нейтрализации избыточного остаточного заряда.

Разработанный материал композиционного диэлектрического покрытия ЭКУ, содержащий 30...55.пасс. % ДОФ, 0,1...0,3 масс. % родамина 6Ж и стабилизатора 1,5...2,5 % позволяет значительно увеличить усилие закрепления Fa до ~ 0,23 МПа при повышении быстродействия открепления детали (до ~ 0,5 с). Материал на основе ПВХ, содержащий 30...55 масс. % ДОФ, гетрацианхинодиметан ~ 0,1 ...0,4 масс. % и стабилизатор 1,5...2,5 масс.% увеличивает усилие закрепления в ЭКУ до — 0,18___0,2 МПа и уменьшает время открепления

детали до долей секунды.

Таким образом рассмотренная выше конденсаторная электромеханическая модель ЭКУ (рис. 12.5) с эластичным полимерным диэлектрическим покрытием позволяет проводить анализ динамики пондеромоторного взаимодействия электродов с учетом неравновесных электрических и механических процессов, протекающих как в диэлектрике так и на межфазной границе электрод-диэлектрик в сильных электрических полях. Результаты численного анализа динамики электроадгезионных процессов в ЭКУ качественно согласуются с экспериментальными данными исследований ЭКУ.

Таблица 12.1

Влияние вида и концентрации Сд низкомолекулярной легирующей добавки в ПВХ на его объемную электропроводность у. и электроадгезию F„ в ЭКУ

Вид легирующей

Сд,

Fa,

Гу,

добавки в покрытии

масс. %

МПа

См/м

ПВХ без добавки

0

0,14...0.15

2,5-10 "

Тстрацианхинодиметан

0,5

0,14...0,16

1,5.10 10

Родамин 6Ж

  • 0
  • 1

о

0,12...0,2

8.10 10

Малеиновый ангидрид

0,4 - 0,7

0,08...0,1

-

Бензоат

1,0

0,07

-

В этой связи выше рассмотренный метод моделирования позволяет проводить оценку особенности характера установления и снятия усилия закрепления в ЭКУ и его быстродействия при конструировании закрепляющих устройств для технологического оборудования в производстве электронной техники.

Использование в ЭКУ эластичных диэлектрических композиционных покрытий с высокой диэлектрической проницаемостью ?,., например, на основе полимеров наполненных с сег- нетоэлектрическим порошком, возможно достичь предельных значений электроадгезии Fa при закреплении деталей до ~ 0,1 ...0,2 МПа.

Путем наполнения полимерной матрицы ПВХ дисперсным порошком сегнетокерамики ЦТС-19 или ЦТС-23, с дисперсностью до ~5...7мкм, получаются композиционные покрытия с диэлектрической проницаемостью ?,. до — 25...30, что в 4...5 раз увеличивает значение электроадгезии Fu в ЭКУ.

На рис. 12.11 приведены графики зависимости силы Fa электроадгезии в ЭАК с композиционным диэлектриком на ос-

График зависимости элсктроадгсзии F в ЭКУ с композиционным диэлектрическим покрытием на основе ПВХ

Рис. 12.11. График зависимости элсктроадгсзии Fa в ЭКУ с композиционным диэлектрическим покрытием на основе ПВХ, наполненного порошком сегнетокерамики ЦТС-19, от концентрации Сц наполнителя а) и толщины L слоя покрытия б).

нове ПВХ пластифицированного ~ 40 масс. % добавкой ДОФ (кривые 1 - 3) и ДАФФ (4), от концентрации Си наполнителя порошка сегнетокерамики ЦТС-19. Из рис. 12.11 видно, что значение усилия электроадгезии Fa в ЭКУ с композиционным диэлектрическим покрытием при увеличении содержания Си наполнителя ЦТС-19 растет до максимального значения и затем несколько снижается.

При увеличении концентрации Си наполнителя в композитной пленке повышается её диэлектрическая проницаемость ?, что приводит к увеличению значений Fa. Однако при наполнении пленки композиционного диэлектрика до ~ 30...40 об. % она теряют свою эластичность, что существенно снижет значение Fa электроадгезионного взаимодействия, несмотря на значительное повышение величины диэлектрической проницаемости ?,. При высоких концентрации C# наполнения полимерной матрицы (более ~ 45...50 об. %) дисперсным ЦТС-19 происходит структурирование композиционной системы материала с увеличением контактных взаимодействий между частицами наполнителя и уменьшении доли жидкой фазы полимера. Таким образом дисперсный наполнитель ЦТС-19 выполняет роль дополнительного структурообразователя композита из-за своей способности ориентировать (поляризовать) активные группы полимера и пластификатора на межфазной границе, снижая их подвижность.

Вместе с тем наполнение полимерной матрицы способствует ионизации молекул пластификатора, но при этом существенно затрудняется перенос носителей заряда (катионов) в полимере из-за стерических препятствий частиц наполнителя перемещению в объеме композита из-за высокой сорбционной способности поверхности наполнителя, вследствие чего объемная электропроводность диэлектрика может снижаться на порядок.

Для более активного пластификатора типа ДАФФ увеличение е, практически не влияет на величину усилия закрепления Fa (кривая 4, рис. 12.11) из-за существенного определяющего влияния миграционной поляризации ионогенных носителей заряда в полимерном диэлектрике композиционного покрытия в ЭКУ при установлении электроадгезионного усилия F(l. Здесь наполнитель в композите играет роль структурообразователя, который только понижает концентрацию и подвижность носителей заряда миграционной поляризации, что снижает усилие электроадгезии Fa в ЭКУ.

При высокой степени наполнения (более 35...40 об. %) сегнетоэлектрическим порошком эластичность полимерного композита резко снижается, что приводит к значительному снижению усилия Fa, несмотря на высокие значения величины гг. Технологическая обработка композиционных пленок путем прокатки между валиками (каландрирование) может приводить к дополнительному направленному структурированию (сдвигу частиц) с образованием текстур при направленной вытяжки пленки. Это приводит к дилатантному упрочнению композиционных пленок с существенным изменением их механических и электрических свойств. На рис. 12.11, б показано характерное изменение усилия электроадгезии Fa в ЭКУ для композиционных пленок разной толщины, полученных каландрированием. Из рис. 12.11,6 видно, что эффект дилатансии проявляется при прокатке пленок ПВХ с наполнением - 40 об. % порошком поляризованной сегнетокерамики ЦТС-19 до толщин - 110... 150 мкм. В области толщины пленки меньшей величины до ~ 110 мкм и большей ~ 150 мкм дилатантный эффект проявляется незначительно.

Путем дополнительного введения в наполненный композит ПВХ легирующей добавки низкомолекулярного соединения типа родамина 6Ж с концентрацией до ~ 0,3 масс. % приводит к увеличению значения Fa на ~ 15...25 %. Здесь легирующая добавка компенсирует снижение значения электроадгезии Fa из-за увеличения концентрации подвижных носителей заряда миграционной поляризации в композиционном материале, что и приводит к увеличению значения F(l.

Использование эластичного композита из ПВХ в электростатических ЭКУ не всегда обеспечивает стабильность рабочих характеристик при наличии длительного трения контактирующих поверхностей и при повышенных температурах. В этом случае одним из путей обеспечения необходимых рабочих свойств ЭКУ может быть выполнение диэлектрического покрытия в виде композита на основе полимера наполненного волокнами с преимущественно одноосной ориентацией при образовании более высокопрочной и термостойкой структуры.

Известны композиционные материалы на основе полиамида армированного однонаправленными волокнами которые имеют высокую механическую прочность и эластичность при сжатии, а также высокую стойкость к истиранию, ударным нагрузкам и многим химическим реагентам. Рабочая температура армирующих волокон на основе алифатических полиамидов достигает ~150°С, а ароматических полиамидов до -350...600 °С.

Наполнение полимеров неорганическим наполнителем не может превышать 40...50 об. % из-за их термодинамической несовместимости с полимерной матрицей. Более высокое наполнение полимера (до ~ 95 об. %) возможно осуществлять органоволокнами «родственной» природы матрицы полимера при одноосной ориентацией молекул в волокне с образованием более высокопрочной и термостойкой ориентированной структуры, что повышает эксплуатационные свойства композиционных текстур при повышенных температурах.

На рис. 12.12 представлены графики зависимости установившегося значения величины силы электроадгезии Fa в ЭКУ от концентрации Спв (а) полиамидного волокна (Г1В) в диэлектрическом композиционном покрытии и от температуры (б).

Из рис. 12.12, я видно, что при повышении Спв увеличивается твердость композиционного покрытия, а повышение температуры (~100°С) способствует увеличению значения F„ за счет увеличения деформации эластичного рельефа поверхности диэлектрического покрытия контактирующего с электродами ЭКУ.

График зависимости Fa от температуры, представленный на рис. 12.12, б, имеет характерный максимума значения Fa, что хорошо проявляет динамику двух конкурирующих электрических процессов, протекающих одновременно в электроадгезион-

График зависимости установившегося значения электроадгезии F в ЭКУ с композиционным диэлектрическим покрытием на основе ПДА от концентрации волокнистого наполнителя Спв

Рис. 12.12. График зависимости установившегося значения электроадгезии Fa в ЭКУ с композиционным диэлектрическим покрытием на основе ПДА от концентрации волокнистого наполнителя Спв (а) и температуры Т (б) в электрическом поле ~ 1,4 МВ/м. Образцы исследовались при температуре (а): 1 - 20 °С; 2 - 50 °С; 3 - 100 °С, а для (б) наполнение Спв составляет: 1 - 50 об. %; 2 - 5 об. %.

ном контакте ЭКУ. Эти неравновесные процессы обусловлены увеличением остаточной поляризации аморфного полиамида (ПДА) за счет дипольно-сегментальной ориентации молекул в полимере (до температур - 80...90 °С) и компенсацией этой поляризации зарядом инжектируемым из электрода в полимер при более плотном прижатии электрода конденсатора в электроадге- зионном контакте из-за размягчения полимерной фазы ПДА.

Таким образом армирование аморфной полимерной матрицы ПДА полиамидными волокнами повышает рабочую температуру композиционных покрытий в ЭКУ до ~ 150 °С.

Использование сегнетокерамического порошка ЦТС-19 с частицами размером 3...5 мкм в качестве наполнителя в пластифицированную матрицу полиамида позволяет получить композиционное диэлектрическое покрытие для работы ЭКУ при повышенных температурах эксплуатации до - 250 "С. Такие покрытия толщиной 120... 140 мкм при напряженности рабочего электрического ноля ~ 5 МВ/м позволяют создавать электроадгезию Fa закрепления пластин в ЭКУ до ~ 20 кПа в условиях повышенных температур их обработки 170...230 "С.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >