Výzkum a vývoj technologie přípravy a povrchových úprav pro ultravysoké a vysoké vakuum

Abstract

Vakuové technologie a jejich aplikace zaznamenaly v posledních letech rychlý nárůst v mnoha oblastech, zejména v high-tech výrobních a výzkumných sektorech, jako jsou fyzika vysoko-energetických částic, výzkum laserů, výroba polovodičů, letectví, kosmický výzkum a nanotechnologie. Existuje mnoho osvědčených aplikací, materiálů a zařízení využívajících vakuum a ještě více aplikací s budoucím potenciálem a možností jejich vylepšení, pokud budou použity v kontrolovaném prostředí vakua. Dnešním trendem je umísťování mnoha různých materiálů a složitých zařízení do jednoho vakuového systému – například sestavy robotů, manipulátorů, elektroniky, částí systémů pro 3D tisk nebo celých družic při jejich výrobě a testování. Všechny výchozí materiály a především jejich povrchy musí mít jedinečné vlastnosti pokud jsou používány ve vysokém (HV) nebo ultra-vysokém vakuu (UHV). Tato práce je zaměřena na výrobní technologii pro povrchové úpravy a jejich použití pro zařízení s potenciálním využitím ve vakuovém prostředí. Zkoumá vývoj nových povrchových úprav a materiálů pro tyto vakuové aplikace. Hlavním cílem této práce je vyvinout pokročilé materiály s využitím výrobní technologie atmosferického plazmatického nástřiku. Jádrem výzkumu je detailní zkoumání a optimalizace parametrů plazmového hořáku a jejich vlivu na kvalitu deponovaných povlaků. Experimentální fáze zahrnuje sestavení systému pro žárový nástřik, návrh a montáž modulární vakuové komory, výběr vhodných materiálových kompozic, spolu s přípravou a testováním vzorků plošných topných povlaků ve vakuovém prostředí. Výsledky demonstrují účinnost výrobní technologie pro povlakování a robustnost vyvinutých vícevrstvých materiálových systémů na bázi TiO. Byla prokázána jejich vhodnost a potenciál pro různé aplikace v HV a UHV, včetně jejich použitelnosti v pokročilých depozičních procesech, prokázaných zde například metodou MW-PECVD pro růst nano-diamantu. Vyvinuté plošné topné povlaky jsou unikátní a tento inovativní materiálový systém je možno využít pro ohřev v prostředí vysokého vakua.

Vacuum technologies and their applications have undergone rapid increases in many fields, especially in high-tech manufacturing and research sectors like high-energy particle physics, lasers, aerospace, semiconductors, and nanotechnologies over the last few years. There are many proven applications, materials, and devices using vacuum and many more applications with future upgrade potential if used in a controlled, vacuum environment. Today’s trend is to put many different materials and complex devices into one vacuum system – for example, whole robots, manipulators, electronics, 3D printing systems and satellites. All surfaces and bulk materials need unique properties if used in high (HV) or ultra-high vacuum (UHV) and must be treated accordingly. This work is focused on production technology for surface treatments, and its use in the modification of materials and devices with potential uses in high and ultra-high vacuum environments. It investigates the development of novel surface treatments for HV and UHV applications. The primary objective of this work was to develop advanced materials using production technology centered on thermal plasma spraying. At the heart of the research lies an in-depth investigation into the understanding and optimization of plasma gun parameters and their influence on quality of coatings. The experimental phase also involved the assembly of a thermal spraying system, the design and assembly of the modular vacuum chamber, selection of suitable material compositions, alongside with the preparation and testing of areal heating samples within a vacuum environment. The results demonstrate the effectiveness of the coating system, and the robustness of developed multilayered material systems based on TiO2, showcasing their high performance and potential for various applications in HV and UHV, including their suitability in advanced coating processes, demonstrated by MW-PECVD for nano-diamond growth. The developed areal heating coatings represent a unique and innovative material system for heating in high vacuum environments.