Эпиламы: видеть новое в забытом старом

Вохидов А. С., к. э. н., Добровольский Л.О.
С наступлением эры нанотехнологии этот вид покрытия пользуется все возрастающим спросом в силу уникальности достигаемых эффектов.

Качество нанесенного покрытия (долговечность, работоспособность, соответствие характеристик заложенным в проекте требованиям, сопротивляемость целому спектру агрессивных по отношению к покрытию факторов и др.) зависит от состояния поверхности, на которую наносится покрытие, от характера взаимоотношения этой поверхности и материала. В связи с этим такие понятия, как адгезия и адсорбция выдвигаются на первый план из числа других понятий физики и физико-химии, особенно в случае получения покрытия (пленки) на базе эпиламов — фторсодержащих поверхностно-активных веществ (фторПАВ), дающих не только узко защитный эффект, но сообщающий поверхности (изделию) новые свойства, изначально этой поверхности не присущие (повышение сопротивляемости к истиранию, снижение коэффициента трения при контактах в пáрах трения и др.).

По сравнению с известными способами и технологиями нанесения покрытий (защитных и многофункциональных) эпиламирование является одним из самых молодых, несмотря на то, что сами композиции получили права гражданства в 1980-е годы на основе разработок советских химиков (ГИПХ, Ленинград).

Указанные покрытия до последнего времени не были широко известны вследствие применения их в проектах специального назначения. Более широкому внедрению эпиламирования как технологического процесса препятствует малая осведомленность потенциально заинтересованных предприятий в существе происходящих при эпиламировании процессов. В практическую плоскость переходят имевшие когда-то чисто теоретическое значение проблемы связи адсорбционно-десорбционных процессов и фазовых переходов в тонких пленках и на поверхностях твердого тела. Становится актуальным более тонкое исследование влияния адсорбции на температуру фазового перехода фторПАВ → металл и учета десорбционной активности поверхности обрабатываемой эпиламом детали при фазовых переходах в условиях повышения температуры объектов (детали и композиции), что отражается на протекании реакции хемосорбции. Полярные пленки Ленгмюра–Блоджетт являются удобным модельным объектом для рассмотрения этих проблем.

Производственникам-практикам особенно важно установить и применить на практике знания о влиянии фазового перехода первого рода на адсорбционную способность вещества, на которую наносится покрытие. Эти знания во многом определяют не только будущее применения самих эпиламов, но и помогают отработать новые методы диагностики структурных фазовых переходов на основе измерения адсорбционных характеристик поверхностей твердого тела. Принято, что в теории адсорбции обычно решается вопрос о виде функции а = (р)г, т. е. об уравнении изотермы адсорбции.

Применительно к созданию наноразмерных пленок на базе фторПАВ (эпиламов), одной из основных характеристик адсорбентов и адсорбционных взаимодействий является изотерма адсорбции. Скорость адсорбции описывается уравнением: α = 0,856*10-11 + 8,900*10-7 С, что соответствует прямолинейной зависимости в области изотермы Генри, т. е. начальной стадии, в которой формируется первый адсорбционный слой. Простейшее уравнение изотермы адсорбции, называемое изотермой Генри, применимо при минимальных степенях заполнения поверхности адсорбатом при малых давлениях и имеет вид а = Kр. Величина адсорбции а отнесена к единице поверхности. Коэффициент пропорциональности K — константа Генри — можно рассматривать как константу термодинамического равновесия. Представленное уравнение — предельная форма всех теоретических изотерм адсорбции и основа стандартизации термодинамических функций, характеризующих адсорбцию.

Другим вопросом, определяющим качество и долговечность покрытия композициями фторПАВ, является адгезия получаемой пленки. Комплексный подход к решению проблем адгезии покрытия выявляет проблемы адгезии-когезии на границе соприкосновения поверхность подложки → поверхность подслоя материала покрытия и, главное для выполнения функции покрытием — показатели адгезии верхнего (наружного) слоя собственно покрытия на границе с окружающей средой.

Адгезия покрытий, образованных эпиламированием (сцепляемость покрытий с подложкой при их контакте), вызывается взаимодействием между молекулами (атомами) подложки и слоя композиции и оценивается адгезионной прочностью, которая определяется экспериментально различными методами отры-ва или разрушения покрытия. В случаях отрыва или разрушения покрытия целостность самого покрытия (по границе раздела покрытие — подложка, по покрытию и смешанный вариант) не нарушается.

Разработанные технологические инструкции по применению эпиламов учитывают основные факторы, влияющие на получение покрытия с оптимальными показателями по надежности прикрепления слоя к подложке и по выполнению покрытием функций. Так же, как и вопросы адсорбции, вопросы адгезии изучаются с позиций ряда теорий, обосновывающих физику, механику и химию явления (адсорбционная теория адгезии, диффузионная и микрореологическая).

С появлением более совершенных средств контроля и измерения различных параметров получаемых покрытий открываются возможности внедрения технологии эпиламирования в широких масштабах, при этом в режиме «шаговой доступности» предприятия сегодня могут реально воспользоваться дорогостоящей и высокоточной аппаратурой центров коллективного пользования (ЦКП).

Изображение структуры и морфологии получаемого при эпиламировании покрытия подтверждает соответствие теоретических предположений с получаемыми на практике. Имеется многолетний положительный опыт применения эпиламов на предприятиях разных отраслей для обработки печатных плат, узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, конструкций из цветных металлов (алюмо-магниевые сплавы, изделия из цветных металлов, изделий с покрытием из драгметаллов) с целью их комплексной защиты (влагозащита, гидрофобность, защита от пыли, коррозии, плесени, снижение воздействия радиации) при эксплуатации в условиях действия агрессивных сред, вакуума, солевого, морского тумана и т. д.

Толщина покрытия составляет порядка 30…80 Ангстрем (3…8 нанометров); значительно снижается трудоемкость нанесения и расход материалов покрытия по сравнению с традиционными лаками (УР, ЭП и др.). При нанесении покрытия изоляция точек пайки и контактов не требуется.

Разработаны технологии, оборудование, НТД, и прочие документы, типовой проект и сметная документация для организации стационарного и передвижного постов эпиламирования.

Эпиламирование осуществляется различными способами (погружение в раствор эпилама с применением герметичных установок с электрическим подогревом или с применением ультразвука (типа «УУЭ-Эпилам-2,5»), аэрозольным напылением, кистью или тампоном с последующей сушкой на воздухе при +20 °С…+120 °С. К примеру, для оценивания степени хемосорбции (для гидрофобизации) обработанные платы помещают в камеру влажности на 10 суток согласно ОСТ 4ГО.077.000. Результаты замеров сопротивления изоляции плат, обработанных по предлагаемому способу и плат без этой обработки сведены в таблицу. Как видно из приведенной ниже таблицы, сопротивление изоляции плат, обработанных по предлагаемому способу в 5 раз больше (на 10 суток выдержки в камере влажности), чем сопротивление изоляции плат без обработки.

Использование влагозащиты печатных плат позволяет увеличить надежность и срок службы радиоэлектронной аппаратуры, бороться с такими явлениями, как воздействие радиации, появление микроорганизмов (плесени), прилипания пыли, окисления. Эпиламирование элементов трибологических систем и деталей машиностроения предъявляет повышенные требования к качеству предварительной подготовки поверхностей, рассматриваются проблемы получения и контроля уровня наношероховатости. Надлежащая подготовка поверхности сводит к минимуму имеющиеся поверхностные дефекты, которые часто проявляются на стадиях металлургических операций, в процессе механической обработки, при подготовке детали к нанесению гальванопокрытия или вследствие неправильного хранения и перевозки. Действенный входной контроль качества на гальваническом участке — залог высокого качества покрытия.

Своевременное обнаружение дефектов поверхности и их устранение дает гарантию получения и качественного покрытия.