Тонкие электроды: Электроды для тонкого металла – Купить на weldmarket.online

alexxlab | 06.08.2019 | 0 | Разное

Содержание

Электроды для тонкого металла

Сейчас сварка тонкого металла нужна как никогда. Современные автомобили, катера, лодки и многие другие современные товары не обходятся без применения тонкого металла, потому что выпускать продукцию по советским меркам экономии металла в наше время просто не рентабельно.

Как видите, сварка тонкого металла очень востребована, а также востребованы и умельцы, способные сварить такой металл. На самом деле сварка такого металла - очень сложный процесс, потому что при малейшей ошибке металл прожигается и становится непригодным для применения. При сваривании тонкого металла применяют ручную дуговую сварку, не прерывистую и прерывистую сварку, а также сварку полуавтоматическим сварочным аппаратом. Реже используется для сварки тонкого металла газовая сварка.

Итак, сейчас мы рассмотрим основные требования для сварки тонкого металла: толщина электрода, требуемый ток и вид электродов. Для сварки тонкого металла необходимо использовать электроды диаметром 3 – 4 миллиметра и ток от 140 до 180 Ампер. Такие параметры электродов должны быть только для металла толщиной 3 миллиметра. Для сварки еще более тонкого металла нужно использовать электроды от 0,5 мм до 2,5. Следовательно, для таких электродов нужно использовать ток от 10 до 90 Ампер.

Для сваривания на малом токе необходимо применять электроды со специальными видами покрытия, которые будут обеспечивать легкое возбуждение и устойчивое горение. Также они должны медленно плавиться и давать жидкотекучий металл, который будет придавать шву прекрасный вид.

Таким требованиям соответствует электрод ОМА-2. В его покрытие входит 36,5% титанового концентрата, 6% ферромарганцевой руды, 46,8% муки и многое другое – общем все, что нужно для стабильного и постоянного горения дуги – того, что должно присутствовать при сварке тонкого металла. ОМА-2 идеально подходят для сварки тонкого металла, потому что имеет стабильное горение дуги, которое применяется для сварки углеродистой стали.

Также хорошо подходят для сварки электроды МТ-2, которые, как и ОМА-2, прекрасно подходят для сваривания тонкого металла и имеют такие же качества, как и ОМА-2. Однако вести сварку электродами МТ-2 лучше всего на постоянном токе обратной полярности. Также если свариваемый металл достигает толщины более 1 миллиметра, то Вы можете смело применять переменный ток.

Также Вам необходимо помнить, что прекрасные результаты сварки Вы обеспечите, если будете сваривать способом «сверху вниз», потому что при этом уменьшается глубина проплавления свариваемых частей. Также в некоторых случаях применяется газовая сварка, но она «калечит» будущее изделие, деформируя его. Многие специалисты не советуют применять газовую сварку. Послушаться или нет – решать Вам.

Лучше всего поступить по совету специалистов и купить электроды ОМА-2 или МТ-2 и варить со спокойной душой. Кстати, для того чтобы купить эти электроды Вам не нужно далеко ходить: Вы можете заказать их через пункт меню «Контакты», выбрав самостоятельно завод изготовитель.


Самые тонкие сварочные электроды - Яхт клуб Ост-Вест

Сварка тонкого металла — проблема даже для некоторых сварщиков с опытом. Новичкам в сварном деле вообще приходится тяжело. Тут работают совсем не те правила, что при сварке толстых изделий: есть множество особенностей и сложностей из-за чего тяжелее подбирать режимы и электроды. Проще это делать со сварочными полуавтоматами, но они в быту — довольно редкое явление, гораздо чаще встречаются инверторы. Вот о сварке тонкого металла инвертором и пойдет речь.

И первая сложность при сварке металла небольшой толщины состоит в том, что сильно нагревать его нельзя: он прогорает, образуются дыры. Потому работают по принципу «чем быстрее, тем лучше» и ни о каких траекториях движения электродов речь не идет вообще. Тонколистовой металл варят проводя электрод в одном направлении — вдоль шва без каких либо отклонений.

При сваривании тонких металлов листы перегреваются и изгибаются

Вторая сложность состоит в том, что работать нужно на малых токах, а это приводят к тому, что дугу приходится делать короткую. При незначительном отрыве она просто гаснет. Могут также возникать проблемы с розжигом дуги, потому используйте аппараты с хорошей вольт-амперной характеристикой (напряжение холостого хода выше 70 В) и плавной регулировкой сварного тока, которая начинается от 10 А.

Еще одна неприятность: при сильном нагреве происходит изменение геометрии тонких листов: их выгибает волнами. От этого недостатка избавиться очень тяжело. Единственный вариант — постараться не перегревать или отвести тепло (про метод с теплоотводящими прокладками читайте ниже).

При сварке встык тонких листов металла, их кромки тщательно обрабатывают и зачищают. Наличие загрязнений и ржавчины сделает сварку еще более проблематичной. Потому тщательно все выровняйте и зачистите. Располагают листы очень близко один к другому — без зазора. Детали фиксируют струбцинами, прижимами и другими приспособлениями. Потом детали прихватывают через каждые 7-10 см короткими швами — прихватками. Они не дадут деталям сместиться и их с меньшей вероятностью погнет.

Если хорошо зачистить кромки, может получится хороший шов

Как варить тонкий металл инвертором

Сварочные аппараты, выдающие постоянный ток хороши тем, что мы можем варить на обратной полярности. Для этого к «+» подключаем кабель с держателем электрода, а «-» цепляем к детали. При таком подключении больше греется электрод, а металл прогревается минимально.

Варить необходимо с использованием самых тонких электродов: от 1,5 мм до 2 мм. При этом выбирать нужно с высоким коэффициентом расплавления: тогда даже при малых токах шов будет качественным. Ток выставляется маленький. Для электродов размером 1,5 мм он должен быть порядка 30-45 ампер, для «двойки» — 40-60 ампер. Реально ставят иногда и ниже: важно чтобы вы смогли работать.

Толщина металла, мм0,5 мм1,0 мм1,5 мм2,0 мм2,5 мм
Диаметр электрода, мм1,0 мм1,6 мм – 2 мм2 мм2,0 мм – 2,5 мм3 мм
Сила тока, А10-20 ампер30-35 ампер35-45 мм50-65 мм65-100 мм

Чтобы металл меньше нагревался, детали ставят в вертикальном или хотя-бы наклонном направлении. Тогда варят сверху-вниз, двигая кончик электрода строго в этом направлении (не отклоняя и не возвращая). Угол наклона — углом вперед, при этом его величина 30-40°. Так прогрев металла будет минимальным, а это для сварки тонких металлов — одна из самых важных задач.

Положения электрода при сварке и их использование

Общая рекомендация по выбору электродов для сварки тонких металлов: купите для такой работы качественные импортные электроды. Проблем будет в разы меньше.

Техники и методы сварки тонких листов металлов

Иногда тонкие листы нужно сваривать под углом. В этом случае удобнее использовать метод отбортовки: кромки листа отгибают на необходимый угол, скрепляют короткими поперечными швами через каждые 5-10 см. После сваривают как говорилось выше: непрерывным швом сверху-вниз.

В видео показано, как варить тонкий листовой металл электродом при помощи сварочного инвертора. Используется метод отбортовки: края деталей отгибаются, потом прихватываются в нескольких местах короткими швами. После идет сварка тонким электродом толщиной 2 мм.

Не всегда получается при сварке без отрыва избежать прожога. Тогда можно попробовать отрывать на несколько мгновений дугу, а затем снова опускать электрод в то же место и продвигать его еще на несколько миллиметров. Так, отрывая и возвращая дугу, и варить. При таком методе получается, что металл за время отрыва дуги успевает остывать. На видео вы увидите, как изменяется цвет места сварки после того, как электрод убрали. Главное — не дать металлу остыть лишком сильно.

Сварка тонкого металла с отрывом дуги продемонстрирована в первой части видео. Способ стыковки — внахлест (одна деталь перекрывается второй на 1-3 см), используется электрод с рутиловым покрытием (для конструкционных и низколегированных сталей). Затем показана сварка нержавейки нержавеющим электродом с основной обмазкой, и в завершение тем же электродом из нержавейки проварен стык черного металла. Шов, кстати, получился более качественным, чем при использовании рекомендованных электродов.

О выборе электродов для сварки инверторным аппаратом читайте тут.

Если при сварке тонкого металла не требуется создание непрерывного шва, используют точечный шов. При таком способе сварки небольшого размера прихватки находятся на небольшом расстоянии один возле другого. Такой способ называется прерывистым швом.

Так выглядит прерывистый шов на тонком металле

Вообще варить сваркой тонкое железо встык сложно. Внахлест проще: не так перегревается детали и меньше шансов, что все «поведет».

При электросварке тонкого металла встык можно между листами проложить тонкую проволоку диаметром 2,5-3,5 мм (можно оббить обмазку на поврежденных электродах и использовать их). Ее располагают так, чтобы с лицевой стороны она была вровень с поверхностью металла, а с изнаночной выступала почти на половину диаметра. При сварке дугу ведут по этой проволоке. Она и принимает основную термическую нагрузку, а свариваемые листы металла прогреваются периферийными токами. При этом они не перегреваются, их не коробит, шов получается ровный, без признаков перегрева. После удаления проволоки с трудом удается рассмотреть следы того, что она присутствовала.

Так выглядит шов при сварке тонкого металла встык с проложенной снизу термоотводящей проволокой

Еще один способ — под место стыка положить пластины меди. Медь имеет очень высокую теплопроводность — в 7-8 раз выше, чем у стали. Уложенная под место сварки она значительную часть тепла отбирает, не допуская перегрева металла. Этот метод сварки тонких металлов называют «с теплоотводящими подкладками».

Как сварить беседку из металла читайте тут. Возможно, вам будет интересно прочесть как сделать мангал из газового баллона или металла? Вещь нужная и для освоения сварки подходящая.

Сварка оцинковки

Оцинкованная сталь — та же тонкая листовая, только покрытая слоем цинка. Если вам необходимо сварить ее, на кромках под сварку придется это покрытие удалить полностью, до чистой стали. Есть несколько способов. Первый — снять механически: абразивным кругом на болгарке или шлифмашинке, наждачной бумагой и металлической щеткой. Есть еще способ — выжечь сваркой. В этом случае дважды проходят электродом проходят вдоль шва. При этом идет испарение цинка (он испаряется при 900°C), а его пары очень ядовиты. Так что эти работы проводить можно или на улице, или если на рабочем месте есть вытяжка. После каждого прохода нужно сбивать флюс.

Сварку оцинковки лучше проводить на открытом воздухе: испаряющийся цинк очень вреден

После полного удаления цинка начинается собственно сварка. При сварке оцинкованных труб для получения хорошего шва нужны будут два прохода разными электродами. Первый шов варят электродами с рутиловым покрытием например, МР-3, АНО-4, ОЗС-4. При этом колебания имеют очень небольшую амплитуду. Верхний шов — облицовочный делать шире. Он примерно равен трем диаметрам электрода. Тут важно не спешить и хорошо проваривать. Этот проход используют электроды с основным покрытием (например,УОНИ-13/55, УОНИ-13/45, ДСК-50).

Комментарии 17

Поверьте все, для домашнего использования ищите электроды УОНИ 4600 и будет вам счастье, ими хоть консервную банку заваришь:)

сваркой занимаюсь мало и только для себя
полезное видео- предстоит делать сварку тонкого металла

Аппарат blaucraft BEN 250, покупал давно и пользуюсь не очень часто. Сварщик я никакой (по хозяйству) самоучка. Но вот по поводу самого аппарата не могу варить тонкий металл, ток минимальный, электрод 2 — прожигает 1мм металл, 3-кой ещё куда не шло. В аппарате есть возможность подключения двух фаз, вопрос — а стоит-ли попробовать воспользоваться данной функцией? В гараже вывод 380в.

всегда завидую, как люди шов кладут, а я трясусь как эпилепсик! :)))))

1 расслабьте руку
2 не забывайте про угол электрода по отношению к пластине
3 не спешите вести шов но не забудьте про подбор режимов

Тут что то другое, я и стрелять могу только с упором:) варить то — варю, но электродом водить мне не нужно, трясет ровно настолько чтоб два куска соединить :))))) Сам над собой всегда ржу! 🙂

мы когда учились у нас у чувака так рука тряслась, что он двумя руками держак держал. Что-то с нервами, но никто ничего ему не говорил типа не видим.

да и у меня наверно нервишки шалят :)))))

Варил тут недавно крепление сидухи на Ниву, как умная Маша купил электроды 2-Ку. Проварил как обычно, шлак красиво лежит, отбиваю, шва нет, все зашлаковано и так было много раз. Я уже сам себе все высказал, какой я дятел и совсем не умею варить, но решил попробовать электрод 3 мм, марки ОК, проварил, отбивают шлак, а там красивый шов! Вывод, электроды производства Судиславль-полное говно! Пробовал потом на железяке, равномерного шва добиться так и не смог, металл кладут уравками, в основном один шлак.

Аналогично! Электроды 3-ка фирмы совместной с Украиной в нашей Бьелораше "Континент" варю прихватками или "тычками" как я её называю даже металл 1,0мм, а 1,5мм за моё моё! А вот беру 2-2,5, не помню к сожалению чьи, завтра посмотрю, и ток уменьшаю, начинают липнуть, а как прилип, то сцуко раскаляется до красна и писдец, выкидывай, дашь больше току, аж шкворчит, и даже прихватку сделать сложно, Ме прожигает, пилять! Обмазка на них серая, а на континенте зелёная! Контнент зажигается легко и поёт! Так приятно "Пиу! Пиу, Пиу"

Варил тут недавно крепление сидухи на Ниву, как умная Маша купил электроды 2-Ку. Проварил как обычно, шлак красиво лежит, отбиваю, шва нет, все зашлаковано и так было много раз. Я уже сам себе все высказал, какой я дятел и совсем не умею варить, но решил попробовать электрод 3 мм, марки ОК, проварил, отбивают шлак, а там красивый шов! Вывод, электроды производства Судиславль-полное говно! Пробовал потом на железяке, равномерного шва добиться так и не смог, металл кладут уравками, в основном один шлак.

ОК.46 офигенные электроды. тоже варю всё ими, тоже тройкой. двойка (другой производитель) без дела валяется, засирает только все

Дак и я только ими варю, но тут решил не ананировать тычками, а проварить без отрыва двоечкой, но впух!

Варил тут недавно крепление сидухи на Ниву, как умная Маша купил электроды 2-Ку. Проварил как обычно, шлак красиво лежит, отбиваю, шва нет, все зашлаковано и так было много раз. Я уже сам себе все высказал, какой я дятел и совсем не умею варить, но решил попробовать электрод 3 мм, марки ОК, проварил, отбивают шлак, а там красивый шов! Вывод, электроды производства Судиславль-полное говно! Пробовал потом на железяке, равномерного шва добиться так и не смог, металл кладут уравками, в основном один шлак.

да от качества электродов многое зависит, но и от техники тоже

Базару нет, я не профи, любитель, но до последнего раза получалось сносно, где-то даже красиво. Но с такой подставой как электроды производства Судиславль, столкнулся впервые. Их, если дугу разорвал, то хрен подожгешь, пока не отломишь шапку. Просто мой сварочный опыт начался с качественных электродов и поэтому я о таких засадах с качеством расходников не знал.

Полезные уроки, спасибо. Варил тут 0,5 не будучи сварщиком. Получилось только половина.

ПОДБОР ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРКИ ТОНКОГО МЕТАЛЛА

Большую роль в сварке инвертором в целом и тонких металлических элементов в частности играет выбор электродов. Помимо покрытия электроды различаются еще и толщиной диаметра, что тоже немаловажно, если вы хотите сварить изделие без повреждений и прожигов.

Возьмем, к примеру, электрод ОМА-2. Он покрыт специальным составом, который горит при токах малой силы и обеспечивает ровное и медленное горение, что увеличивает ваши шансы сплавить тонкие металлические части без особых проблем. Покрытие дает хорошую жидкую металлическую массу, которая и делает шов неглубоким и хорошо скрепляющим поверхности. Покрытие состоит на треть из титанового концентрата, почти наполовину из муки, на 15% из жидкого стекла, а также имеет такие важные добавки, как марганец, селитра и железистые соединения кремния и марганца. Такого рода составы рассчитывали и подбирали опытным путем большое количество специалистов, под конкретные задачи и условия.

Для сварки тонких листов стали хорошо подходит электрод МТ-2, этот электрод создан довольно давно, но до сих пор используется сварщиками в нашей стране

Как выбрать сварочный электрод?

Уважаемые начинающие сварщики, в этой статье мы кратко расскажем про электроды и дадим практические рекомендации по их использованию.

Для выбора электрода необходимо определить:

  • Толщину металла  - (чем толще металл, тем больше диаметр электрода).
  • Марку стали - (черный металл, нержавейка, жаропрочный и т.д.).
  • По электроду определяем ток!
  • Положение сварки - (нижнее, горизонтальное, нижнее тавровое, вертикальное - сварка снизу вверх, потолочное, потолочное тавровое).

Что касается сварочного тока, который вы будете подавать на электрод. Каждый производитель электродов заявляет разный сварочный ток. Ниже мы приводим классические параметры, с этими параметрами согласились сварщики, которые работают в профессии не один год. 

Выбор тока также зависит от пространственного положения и величины зазора. Например: для диаметра 3 мм рекомендуется ток 70-80 А. Это ток для сварки в потолочном положении или вертикаль на подъем, а также, если зазор соизмерим или более диаметра электрода. Если же варить в нижнем положении, при этом зазора нет и позволяет толщина металла, то можно на простом электроде дать 120 А.

Опытные сварщики советуют пользоваться следующей формулой. Вы можете попробовать следовать этой формуле. 

Сила тока рассчитывавшийся по формуле 30-40 А. на 1мм электрода, т.е на электрод d 3 мм. ставим ток 90-120 А., на электрод d 4мм ставим ток 120-160А и т. При сварке в вертикальном положении уменьшаем силу тока на 15%.

Диаметр 2 мм. – 40 – 80 Ампер. «Двойка» - пожалуй, самый капризный электрод. Многим кажется, что чем меньше диаметр электрода, тем легче работать. Но это не совсем так. Например: «двойка» требует определенных навыков и сноровки, она быстро горит и очень сильно греется, если вы выставили большой ток.  «Двойка» хороша тем, что требует мало тока и сваривает тонкие металлы. Но нужно умение и терпение.

Диаметр 3 мм или 3.2 мм. – 70-80 Ампер. ПРИ УСЛОВИИ СВАРКИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ.  Все сходятся во мнении, что 80 Ампер – это максимальное значение тока, все что выше – это уже не сварка, а резка. Попробуйте начать сварку с 70 Ампер, поймете, что не проваривает - добавьте 5-10 Ампер, если и 80 Ампер мало - крутите ручку регулировки сварочного тока до 120 А., но не более. Если вы варите на ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ – вам следует выставить 110-130 ампер. Иногда даже до 150 Ампер. Но скорей всего вам это не нужно, так как у вас инверторный сварочный аппарат, а не трансформаторный. 

Диаметр  4 мм. – 110-160 Ампер. Как видите колебание в 50 Ампер, это связанно с тем, какой у вас толщины металл и какой у вас навык работы «четверкой».  Мы опять же рекомендуем пробовать с 110 Ампер и по мере необходимости добавлять силу тока. 

Диаметры от 5 мм и выше – это уже профессиональные электроды, как правило, их используют сварщики профи. Давать им рекомендации мы не будем, они и так знают как ими работать, а начинающим сварщикам они попросту не нужны. Скажем лишь, что такие диаметры чаще используют не для сварки, а для наплавки.

Какой выбрать сварочный электрод?

Мы сейчас расскажем об основных типах сварочных электродов.

МР-3 и АНО – эти электроды лучше использовать на переменном токе. Они не прихотливы к сырости. Эти электроды не для ответственных конструкций, ими никогда не варят мосты и несущие балки крыши, ими варят заборы, ворота и теплицы на даче, ограждения, небольшие металло-контрукции бытового назначения.  Если нет сверх нагрузки – это электроды для Вас. Самые востребованные марки у сварщиков любителей и дачников.

УОНИИ 13/55 – это отличные электроды, но очень «специфические».  УОНИИ 13/55 варят профессионалы. Надо варить на короткой дуге! Это электроды для ответственных конструкций. Горят только на постоянном токе, любят стабильную дугу и не любят скачков напряжения. Начинайте работать с УОНИИ 13/55 только тогда, когда вы научитесь варить МР-3 и АНО. 

LB-52U – мы рекомендуем покупать эти электроды японской фирмы KOBELCO. Эти электроды берут для сварки труб под высоким давлением. Очень качественный шов. Электроды LB-52U одни из самых дорогих, как правило, их покупают предприятия и структуры связанные с ремонтом городских тепло/водо сетей. 

Мы ознакомили вас с самыми ходовыми электродами. Ниже мы расскажем кратко об электродах Концерна ESAB (Швеция), возможно вы найдете именно то, что вам нужно. Все электроды фирмы ESAB начинаются с букв ОК – в честь основателя Концерна Оскара Кельберга.

OK 46.00 ESAB (Россия) – сваривать металлы этими электродами можно на постоянном и переменном токах. Часто эти электроды называют УНИВЕРСАЛЬНЫЙ или ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СТАЛИ. Если вы не знаете что выбрать, берите эти электроды – не прогадаете. Электроды хороши тем, что имеют широкую линейку диаметров. Всегда можно подобрать нужный именно вам.

OK 48.00 ESAB (Швеция) - только постоянный ток. Идеально подойдут для ответственных конструкций. 

Cпециальные электроды.

OK 61.30 ESAB – сварка нержавейка/нержавейка (марки стали 304, 308L, 03Х18Н11, 06Х18Н11, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10).

ОК 67.60, ОК 67.62 ESAB - сварка нержавейка/сталь.

OK 63.30 ESAB (российские аналоги АНВ-26) – (марки стали 316, 03Х17Н14М2, 10Х17Н13М3Т, 06Х19Н11Г2М2) идеально подходят для сварки тонкостенных труб и тонколистовых изделий. 

Если вы не понимаете, какая сталь перед вами, вы не знаете ее состав – ваш выбор OK 68.81, OK 68.82 – этими электродами можно сваривать разнородные стальные изделия и стали неизвестного состава.

При сварке чугуна много нюансов!

Сварка чугун\сталь ESAB OK 92.18 (новое название OK Ni-Cl) - предназначены для сварки нетолстого чугуна (не более 3 слоев). 

Сварка чугун\чугун; чугун\сталь ESAB OK 92.60. (новое название OK NiFe-Cl) -ими как раз можно варить чугун любой толщины и чугун со сталью

Сварка алюминия. Алюминий очень сложный металл, требует прогрева перед сваркой, быстро плавится и быстро застывает. Обычно алюминий варят TIG или MIG сваркой. Варить алюминий электродом очень сложно, но если у вас получится – вы можете считать себя мастером! 

OK 96.20 ESAB - им можно варить очень ограниченное количество марок алюминия. Внимательно изучите состав.

Самый универсальный электрод по алюминию - это ОК 96.40. ВАЖНО, что электрод по алюминию надо использовать в один поджег. Незаконченный электрод надо заменять новым. Плюс, в отличие от сталей, надо совершать круговые движения концом электрода.

Для чего нужно прокаливать электроды?

Прокаливают электроды для того, чтобы убрать из них влагу.  Если электрод отсырел – при сварке могут возникнуть дефекты в сварочном шве или электрод будет постоянно прилипать к изделию. 

Обращаем внимание на то, что в нашем интернет-магазине все электроды «свежие», мы закупаем их у поставщиков имеющих специальные отапливаемые склады, электроды не хранятся на складах больше месяца, все пачки имеют герметичную упаковку. 

Строительные компании имеют специальное оборудование для прокалки электродов, сварщики-любители, как правило, не имеют таких установок. Если вы открыли новую пачку – мы рекомендуем вам ее либо израсходовать полностью, либо убрать остатки не использованных электродов из пачки в сухое теплое место. Не храните электроды на открытом пространстве, на чердаках и в подвалах. 

Полезная информация.

Толщина металла, мм. 1.1-2.0 3.0 4.0-5.0 6.0-8.0 9.0-12.0 13.0-15.0
Диаметр электрода, мм. 1.5-2.0 3.2 3.2-4.0 4.0 4.0-5.0 5.0

Прямая полярность и обратная полярность.

Если электрод на "+", а клемма на "-", то больше плавится электрод. - это называется обратная полярность.

Если электрод на "-", а клемма на "+", то больше плавится свариваемый металл. - это называется прямая полярность.

Постоянный ток - это DC, переменный ток - это AC.  Как правило все сварочные аппараты ручной дуговой сварки варят на DC (постоянном токе).

При сварке на прямой полярности проплавление меньше (сварка тонколистовых изделий), и соответственно при обратной полярности больше (толстостенные изделия).

Покупайте надежную технику, зарекомендовавших себя фирм, а также качественные электроды, тогда сварка будет в радость!

Подбор горелки MIG →← Обзор сварочного полуавтомата Ergomax MIG 140

Как выбрать электроды для сварки

03.08.2019

Когда дело доходит до сварки, выбор оборудования может быть невероятно широк. Знание того, какой именно затемняющий шлем покупать, какое защитное снаряжение будет наиболее безопасным, или даже какой металл использовать, - это все то, что нужно знать перед началом работ.

Новичкам действительно нужно учитывать только несколько основных факторов, но как только вы встанете на ноги и начнете работать и приобретете больше опыта, вам нужно будет понять более глубоко принцип работы элементов вашего оборудования.

Возможность различать типы сварочных электродов (прутков) - и знание их сильных и слабых сторон и наилучшего применения - это только одна из тех особенностей, которые оказывают огромное влияние на прочность и качество ваших сварных швов. Специалисты smsm.ru ответят на любые ваши вопросы и помогут приобрести электроды для сварки.

Что такое сварочный электрод?

Сварочный электрод - это кусок проволоки, соединенный со сварочным аппаратом. Через эту проволоку пропускается ток, который помогает прочно соединить два куска металла.


В некоторых случаях, а именно сварочных аппаратах SMAW и т.п. проволока фактически расплавляется, становясь частью самого сварного шва. Эти сварочные прутки называются расходными электродами. Для сварки TIG (ручная сварка неплавящимися вольфрамовыми электродами в среде защитного газа аргона) сварочные прутки не плавятся, поэтому они называются неплавящимися электродами.

В рамках обеих этих групп существует множество различных вариантов и типов, которые будут более подробно рассмотрены ниже.

Сварочные прутки обычно имеют покрытие, хотя материалы, из которых они состоят, могут сильно отличаться. Также доступны незащищенные электроды (изготовленные без каких-либо дополнительных покрытий), хотя они встречаются гораздо реже. Они используются для определенных специальных работ, например, для сварки марганцевой стали.

Как выбрать электроды для сварки?

Важно выбрать подходящий тип сварочного прутка, чтобы создать чистые и прочные сварные швы высшего качества. Выбор электрода определяется требованиями сварочных работ. К ним относятся:

  • Прочность при разрыве
  • Вязкость
  • Коррозионная стойкость
  • Цветной металл
  • Положение сварки
  • Полярность
  • Длительность работы
  • Расходные электроды.


Оскар Кьельберг изобрел первый в мире сварочный электрод с покрытием в 1904 году, погрузив голую проволоку в смесь карбонатов (включая целлюлозу) и силикатов в качестве связующего.

В то время как металлургический прогресс, состав покрытия электродов и технологии производства сохраняются по сей день, фундаментальные принципы электродуговой сварки (ЭДСП), также известной как стержневая сварка, остаются неизменными. Покрытие электродов обеспечивает:

  • Дуговая защита при разложении карбоната кальция (CaCO3) в покрытии до CaO и CO2 под воздействием дугового тепла.
  • Основной источник шлаковой системы, поддерживающей сварочную лужу и способствующей удалению примесей из сварочного шва расплавленного металла.
  • Устойчивость дуги к таким элементам, как натрий и калий.
  • Первичный источник легирования и дополнительного наполнителя металла.

Как упоминалось ранее, в ручной сварке обычно используют сварочные прутки, которые здесь будут называться расходными электродами. К ним относятся электроды с легким покрытием, а также электроды с экранированной дугой или с толстым покрытием.

Классификации сварочных электродов

Для начала, глядя на классификацию сварочной проволоки, вы уже можете сказать достаточно много о типе используемого электрода. Первые две цифры относятся к прочности на растяжение или к тому, какое напряжение может выдержать сварочный шов. Чем больше число, тем сильнее электрод.


Третья цифра указывает на то, в каких положениях может использоваться сварочная проволока. Например, цифра «1» означает, что электрод является полнопозиционным.

Последнее число немного сложнее. В сварке SMAW используются электроды, покрытые различными химическими веществами, которые защищают соединения во время сварки. Последняя цифра в классификации используется для обозначения покрытий, которые были использованы на электродах, и, таким образом, какой ток должен использоваться.

Как следует из названия, электроды с легким покрытием  обрабатываются тонким слоем, который был нанесен кистью или с помощью распыления. Обычно он состоит из нескольких различных материалов, которые, скорее всего, будут похожи на металлы, которые вы свариваете вместе.

Дуговые потоки, создаваемые при использовании голых стержней, трудно контролировать, поэтому, если ваша работа позволяет, отдайте предпочтение использованию электрода с ламинированным покрытием, которое повысит стабильность дуги. Это сделает вашу работу быстрее и проще.

Однако это не единственная цель легкого нанесения покрытия на сварочные прутки. Другие преимущества использования электродов с тонким покрытием заключаются в том, что примеси, такие как оксиды и сера, уменьшаются (или полностью исключаются), капли металла в конце сварочной проволоки более равномерны по размеру и частоте, что означает, что ваши швы получатся более гладкими и аккуратными, и образуют только тонкий слой шлака.

Экранированные дуговые электроды аналогичны электродам со легким покрытием, за исключением того, что они имеют толстое покрытие. Благодаря своей более жесткой и прочной конструкции, они лучше подходят для сварки чугуна.

Существует три различных типа покрытий, наносимых на экранированные дуговые электроды, каждый из которых имеет свои результаты в процессе сварки. Во-первых, это электрогды с покрытиями, содержащими целлюлозу, в которых для защиты зоны сварки используется слой газа.

Целлюлозный


Покрытие на целлюлозном электроде содержит до 30% и более древесной муки. Покрытие относительно тонкое (от 12 до 15 процентов диаметра электрода) и образует тонкий, легко снимаемый, быстро замерзающий шлак, пригодный для сварки в любом положении, включая вертикально вверх и вертикально вниз.

Целлюлозные электроды обеспечивают выкапывание/привод дуги с глубоким проникновением. Сварочная лужа хорошо впитывается и распространяется, обладает отличными механическими свойствами и имеет характерные пульсации.

К целлюлозным электродам относятся E6010, E7010 и E6011, которые обычно используются для труб, барж, ремонта ферм, технического обслуживания и очистки грязных листов. Во-вторых, покрытия второго типа включают минеральные вещества, которые образуют слой шлака.

Рутиловый


Рутил - это минерал, состоящий в основном из диоксида титана. Рутиловые электроды, такие как электроды из нержавеющей стали классов E6013, E7014 и XXX-16, обеспечивают мягкую дугу с более легким проникновением, чем целлюлозные электроды.

Шлак легко поддается контролю, дуга легко воспламеняется и ударяется, что повышает аккуратность сварки. Обычно они используются в общем производстве, где не требуются механические свойства критических сварных швов.

Третий тип покрытия на экранированных дуговых электродах состоит из комбинации целлюлозы и минералов.

Базовый


Основные электроды имеют дугу со средним проникновением и отличными механическими свойствами. Покрытие выполнено из низководородного железосодержащего порошка, TiO2, CaCO3 и CaF2 (фтористый кальций). Покрытие имеет среднюю толщину, а добавление железного порошка увеличивает осаждение.

Он относительно быстро замерзает, что позволяет выполнять сварку плоским, горизонтальным, вертикальным и верхним слоем вверх. Основные электроды, такие как E7018, используются для сварных швов в металлоконструкциях, мостах, судах и морских нефтегазовых установках, где важны механические свойства.

Экранированные дуговые электроды, образующие слой газа, идеально подходят, поскольку они выступают в качестве высокоэффективного защитного барьера, создающего прочные сварные швы. Сварочная ванна должна быть защищена от определенных атмосферных газов (а именно кислорода и азота), которые воздействуют на сварные швы и делают их слабыми, пористыми и хрупкими.

Такая защита может быть обеспечена либо с помощью сварочного прутка с покрытием, либо с помощью струи газа, способной оградить сварочную ванну от воздуха (как написано в описании экранированных дуговых электродов с целлюлозным покрытием).

Как и электроды с легким покрытием, экранированные дуговые электроды уменьшают содержание оксидов, серы и других примесей в металле, оставляя чистые, гладкие, обычные сварочные швы. Кроме того, сварочные дуги, создаваемые этими сварочными прутьями, гораздо проще контролировать, чем голые электроды, которые могут вызвать большое количество брызг.

Выбор дугового электрода с минеральным покрытием, который образует шлак, может показаться не разумным, но, на самом деле, этот шлак может оказать положительное воздействие.

Он охлаждается медленно - намного медленнее, чем экранированные дуговые электроды с целлюлозным покрытием, - всасывая примеси на поверхность. В результате вы получите высококачественные, прочные, долговечные и чистые сварные швы.

Итог

Правильный выбор сварочного прутка - это гораздо больше, чем кажется на первый взгляд. Важно овладеть искусством работы с четырьмя основными и наиболее распространенными сварочными прутьями (7018, 6013, 6011 и 6010), так как это значительно облегчит понимание принципов и свойств других. Специалисты smsm.ru помогут вам с выбором нужного электрода.



Сварка тонким электродом

Диаметр и размер электродов обязательно необходимо учитывать при выборе данного инструмента, ведь рекомендуется производить подбор расходных материалов именно исходя из этих параметров. Иногда происходит такое, что при спаивании тонких пластин из металла нужно пользоваться специализированными инструментами, ведь данный процесс очень сложный и трудоемкий. Нужно приобрести специальные инструменты и материалы а также такие работы в состоянии произвести только опытный специалист. Часто такие металлы пытаются соединять между собой с помощью газовой сварки, однако не у всех существует такая возможность, поэтому приобретаются тонкие электроды для сварки.

Сварка тонкого металла электродом

Не все производители занимаются созданием материалов, которые полностью соблюдают такие запросы потребителей, ведь в большинстве случаев минимальная толщина электродов составляет 2 мм. Ну а действительно тонкие электроды имеют меньший диаметр, чем 2 мм. В тех электродах, которые предназначаются для тонких металлов, обмазка и материал на стержне находятся в полном соответствии друг с другом. Обычно они составляют 1/3 от общей массы электродов. Данные инструменты довольно сложные в создании, ада и применяют их только в редких случаях. При появлении специальных инверторов, которые используются в домашних условиях и имеют небольшую мощность, теперь намного чаще используют тонкие электроды, ведь мощность данного аппарата не выдерживает большие размеры электродов, и не может расплавить их до необходимого состояния.

Если необходимо применить дуговую сварку, то тонкие электроды в этих случаях довольно сложно использовать, ведь плавятся они намного быстрее, чем стандартные инструменты для сварки. Именно поэтому рекомендуется тщательно подбирать режим, вот только в некоторых случаях даже этого бывает недостаточно. Необходимо проводить такие работы только настоящим профессионалам, ведь материал можно переплавить и привести в негодность. Также оборудование должно соответствовать всем необходимым требованиям, например стоит пользоваться надежным держателем. Который будет крепко удерживать электрод на одном месте. Сварочный трансформатор должен регулироваться, чтобы точно выбрать необходимую силу подачи тока. Процесс проходит намного быстрее, чем в стандартных условиях, поэтому все действия необходимо производить быстро и с высокой точностью.

Как варить тонкими электродами

Обмазка создает особую защиту, однако она довольно небольшая, ведь диаметр электрода также маленький. Вот только этого вполне может хватить, ведь и ванна сварочная также небольшая. Рекомендуется пользоваться дополнительным флюсом для металла, чтобы сделать сваривание более качественным и обеспечить дополнительную защиту шву. Именно поэтому необходимо постоянно регулировать глубину проваривания, чтобы металлы хорошо схватились друг с другом, но не образовались дыры. Необходимо знать, что при сваривании тонкого металла может произойти деформация деталей от воздействия высоких температур. Именно поэтому шов нужно делать при помощи небольших полосок. Также стоит сделать по всей длине деталей прихватки, чтобы избежать сгибов.

Электроды для тонкого металла

Электроды, предназначенные для сваривания металлов диаметром 1 мм являются узкопрофильными, поэтому их используют настоящие профессионалы, и то только в некоторых, особо сложных ситуациях. Однако аналогов им нет, поэтому мастера обязаны иногда пользоваться ими. Нужно только подобрать их правильно, а затем пользоваться ими только с соблюдением всех правил, чтобы не допустить брак.

Положительные стороны

  1. единственный материал такого типа, при использовании которого осуществляется дуговая сварка тонких изделий без порчи изделий;
  2. стоимость сравнительно приемлемая, поэтому можно сразу приобрести большую упаковку электродов;
  3. физические свойства и состав практически такой же, как и у электродов более толстого диаметра;
  4. электроды быстро просушиваются и накаливаются, поэтому подготовка проходит максимально быстро.

Отрицательные стороны

  • электроды с небольшим диаметром нельзя использовать при сваривании толстых и массивных деталей, ведь не в состоянии проварить материал до необходимого состояния;
  • работа с ними довольно сложная, ведь здесь необходима совершенно другая техника сваривания заготовок;
  • расходный материал постоянно нужно менять, ведь электроды тонкого размера быстро заканчиваются;
  • часто не хватает обмазки, поэтому сварочная ванна может получиться не очень качественной;
  • может потребоваться дополнительное приобретение расходных материалов;
  • довольно сложно отыскать необходимые электроды, ведь не все производители выпускают инструменты нужного диаметра.

Характеристики тонких электродов

Технические характеристики электродов данного образца находятся в прямой зависимости от того, что находится в составе материала, а также от того, какой металл необходимо подвергнуть обработке, какова обмазка и вещества для создания стержня.

Выбор и его особенности

Тонкие сварочные электроды необходимо подбирать по тем же характеристикам и свойствам, что и остальные электроды. Необходимо сначала определиться с составом, рекомендуется, чтобы основной стержень был сделан из того же металла, что и наплавочный металл. Именно от этого зависит, насколько качественным будет данное соединение, ведь нужно сделать так, чтобы на швах не было слабых мест, и структура материала получилась однородной. Также рекомендуется смотреть на то, какие у сварочного аппарата режимы, ведь они должны совпадать с теми, которые подходит для электродов.

Важно! Нельзя проваривать слишком большие заготовки, которые имеют размеры больше, чем сами электроды.

Как применяются электроды

Особенность применения тонких элементов — это очень быстрая скорость сварки. Здесь вязкость остается прежней, поэтому соединение происходит намного более легче. Именно поэтому можно выбирать более узкие электроды, чем материал основного типа, особенно, если необходимо произвести потолочную сварку. Также многое зависит от сорта и производителя материалов, поэтому при выборе электродов необходимо внимательно изучить характеристики инструментов и выбрать наиболее оптимальные.

соединения встык и внахлест, технология процесса

Сварка тонких металлов при помощи электродов осложняется тем, что в процессе работы возникает опасность прожога листов. Это происходит из-за быстрого расплавления кромок материалов. При нарушении технологии шов получается некрасивым со множеством сквозных отверстий.

Как варить тонкие металлы электродом

Тонким принято считать лист с толщиной менее 2 мм. Есть три варианта, которые встречаются при сварке тонких металлов:

  1. Лист или тонкую заготовку необходимо соединить с более толстой деталью. Это самый простой вариант. Если есть возможность, следует выбирать именно его.
  2. Требуется сварить два тонких листа между собой внахлест. За счет наложения листов друг на друга процесс облегчается.
  3. Нужно соединить два листа встык. Самый сложный случай. Вероятность прожога без опыта работы очень высока.

Существует несколько хитростей, к которым прибегают сварщики при соединении тонких металлов.

Как правильно выбрать инвертор

При выборе аппарата нужно руководствоваться правилами:

  • инвертор должен выдавать стабильный сварочный ток, не бояться перепадов в сети, которые часто случаются за городом;
  • не рекомендуется использовать старые аппараты («переменники»): они потребляют больше энергии, а работать с ними сложнее. Современное сварочное оборудование на выходе дает постоянный ток;
  • регулировка должна производиться плавно, точный подбор параметров облегчит процесс.
Примерная стоимость инверторов для сварки на Яндекс.маркет

Инверторы часто имеют опцию «Форсирование дуги». При включении соответствующего тумблера сварка облегчается за счет автоматического повышения и понижения значения силы тока, что важно при работе на минимальных его значениях. В результате электрод будет меньше «залипать».

«Горячий старт» облегчает поджиг дуги: кратковременно повышается сила тока в момент касания электрода заготовки. После этого параметр автоматически возвращается к исходному значению.

Какие электроды следует использовать

На постоянном токе можно варить любыми электродами, важно подобрать диаметр. Рекомендуется использовать 2 мм, а если соединяются металлы разной толщины, то допускается сварка электродами 2,5-3 мм.

Выбор марки зависит от предпочтений сварщика. Большинство применяет электроды типа АНО-4, которые легче зажигаются, но часто используют и УОНИ 13/55 или аналогичные.

Примерная стоимость электродов УОНИ 13/55 на Яндекс.маркет

Также можно использовать сварочные материалы фирмы Кобелко. Это электроды Lb-52U, их диаметр отличается от российских стандартов – 2,6 и 3,2 мм. Они стоят значительно дороже отечественных, но за счет применения производителем качественной обмазки варить ими легче, чем аналогичными УОНИ.

Примерная стоимость электродов фирмы Кобелко на Яндекс.маркет

Лучше выбирать электроды с графитовыми кончиками. Такая технология облегчает первоначальный поджиг дуги.

Как сварить тонкую заготовку с более толстой

Рекомендуется выполнить следующую последовательность действий:

  1. Зачистить заготовки от краски и ржавчины, это поможет быстро зажигать дугу.
  2. Надежно зафиксировать детали друг относительно друга. Зазор между ними должен быть минимальным.
  3. Зажигать дугу нужно на толстой заготовке.
  4. После образования сварочной ванны следует поочередно переводить электрод с толстой детали на более тонкую и обратно, долго держать дугу на листе не нужно.
  5. Сварку лучше производить с отрывом электрода: зажигание дуги, перевод на тонкую заготовку, отрыв, снова поджиг на толстой детали. Важно не давать деталям остыть, иначе образующийся шлак затвердеет и осложнит процесс.
  6. Угол наклона электрода должен быть направлен так, чтобы как можно меньше воздействовать на тонкую заготовку, а больше – на толстую. Выбирается опытным путем и зависит от реальной толщины деталей.

Если сварка производится в горизонтальном положении, то отрывать электрод необязательно.

Сварка внахлест

Если нужно соединить два тонких листа, то рекомендуется (по возможности) накладывать один на другой. Такое соединение позволит избежать прожогов и добиться получения красивого шва.

Процесс выглядит так:

  1. Очистка деталей.
  2. Монтаж с минимальными зазорами – рекомендуется использовать струбцины или специальные зажимы.
  3. Поджиг дуги на одном из листов.
  4. Электрод следует вести вдоль кромок с минимальными поперечными колебаниями.
  5. Угол удержания электрода – 45 градусов или меньше.

В процессе можно производить продольные колебания, это снизит риск прожогов. Если сварка проводится в вертикальном положении, то рекомендуется метод «с отрывом» электрода.

Стыковые соединения тонких металлов

Самый сложный случай, потребует внимательности и аккуратности. Общие принципы:

  1. При нарезании заготовок следует обеспечить максимальную точность, иначе во время монтажа получатся зазоры.
  2. Предварительная обработка кромок от грязи и краски.
  3. Соединение листов при помощи струбцин или зажимов.
  4. Поджиг дуги на одном из листов.
  5. Сварка ведется поперечными движениями электрода на максимальной скорости.

Допускается работа «с отрывом» – как в вертикальном, так и в горизонтальном положении.

Хитрости, используемые при сварке тонких металлов

По возможности сварщики используют следующие приемы, облегчающие процесс:

  • сварка на подкладке. Под кромки кладется толстый лист меди или алюминия. Температура плавления этих сплавов выше, чем стали. Во время работы подкладка помогает не допустить прожогов листов и отводит тепло от заготовок. Такой способ используется при сварке в нижнем положении;
  • сварка сверху вниз. Метод, применяемый для получения вертикальных швов. Дуга зажигается в самой верхней точке конструкции, а шов варится быстрыми поперечными движениями – нужно добиться того, чтобы металл не стекал вниз: удерживать его электродом и не допускать залипаний. Такой способ требует навыка, а также подбора электродов – на пачке должна быть отметка о возможности сварки сверху вниз;
  • сварка на длинной дуге. После появления сварочной ванны электрод отодвигается от кромок на максимальное расстояние, при котором дуга не обрывается. Силу тока нужно увеличить. Способ позволяет снизить риск появления прожогов, но удерживать длинную дугу сложно, потребуется тренировка.

При сборке тонколистовых конструкций следует учитывать, что листы может покоробить во время или после сварки. Избежать этого можно, если при монтаже ставить больше прихваток или приварить дополнительные элементы, придающие плоскостям жесткость.

Оцинкованные детали и листы нужно обязательно очищать от защитного слоя в зоне сварки. Для этого кромки обрабатывают при помощи болгарки. Рекомендуется работать на улице, так как цинк, попавший в организм, может вызывать отравление.

Если не требуется герметичное соединение, то лучше собирать конструкцию на прихватках и не обваривать сплошным швом, в этом случае металл покоробит намного меньше.

Проверку швов на протечки (сваренные емкости) проводят с помощью керосина и мелового водного раствора. Густой состав наносят на внешнюю поверхность кромок, а керосином смачивается внутренняя сторона. В тех местах, в которых присутствуют дефекты, мел очень быстро потемнеет – появятся пятна.

Режимы сварки

При настройке аппарата следует руководствоваться практическими советами:

  • настройку сварочного тока производить опытным путем, пробуя варить на ненужных обрезках. Универсальных значений нет, каждый сварщик устанавливает те параметры, которые ему привычнее;
  • функция «Форсаж дуги» – включить. Если есть колесико регулировки, следует подобрать оптимальное его положение;
  • сварка производится на обратной полярности: к разъему «+» подключается держатель электродов, а к «-» – кабель массы.

Приблизительные значения силы тока.

Толщина заготовки, ммЗначение силы тока, А
0,510-25
130-40
1,540-45
250-60

Держатель должен надежно фиксировать электрод, иначе во время работы зажигание дуги будет выполнить сложно.

Итоги

Сварка тонких металлов при помощи электродов возможна при соблюдении технологии и повышенной аккуратности. До начала работы рекомендуется потренироваться на обрезках металла, научиться подбирать сварочный ток под свою руку.


обман или нет? — журнал За рулем

Какие электроды эффективнее в работе и дольше прослужат — тонкие или толстые, объясняет эксперт «За рулем».

Материалы по теме

Если в стареньких автомобилях свечи менялись буквально за пять минут, то в современных машинах для этого порой нужно разобрать полмотора. Поэтому в идеале свеча должна служить примерно столько же, сколько сам мотор. Но обычная сталь и даже хромоникелевые сплавы под действием искрового разряда постепенно выгорают вследствие электроэрозионного износа. Кроме того, в процессе работы свечи на ней образуется нагар, резко ухудшающий ее показатели.

Лучшими показателями по части тугоплавкости обладают металлы платиновой группы — иридий, платина, иттрий. Преимуществом иридия при этом является хорошая теплопроводность, почти на порядок превышающая показатели хромоникелевых сплавов. Для свечи это очень важно, так как высокая теплопроводность уменьшает температуру электрода. Однако такие металлы очень дороги. Но иридий позволяет делать электроды предельно миниатюрными. Например, у японских Denso Iridium толщина центрального электрода составляет всего 0,4 мм, в то время как у обычной свечи на базе хромоникелевого сплава — примерно 2,5 мм.

Материалы по теме

Впрочем, экономия металла — не главное достоинство тоненьких электродов.

Подобно тому, как разряд молнии поражает одинокие деревья, мачты и, само собой, громоотводы, так и тоненькие электроды свечи позволяют увеличить энергетику разряда, что положительно сказывается на мощности, экономичности и экологии.

Наши испытания показали, что даже в сравнении с высококачественными, но «толстыми» свечами их «тоненькие» коллеги способны улучшить экономичность на 6–7%.

Кроме того, тоненькие электроды позволяют свечам уверенно работать при аварийном понижении напряжения в бортсети.

Что касается ресурса, то 100 000 км — вполне реальная величина для «худышек». Единственный их недостаток — более высокая, по сравнению с «обычными» свечами, цена.

Есть вопросы? Задавайте! [email protected]

  • Сколько проживут недорогие свечи, узнайте тут.

Тонкопленочных электродов для хирургии головного мозга выходит на рынок

В ближайшие несколько месяцев, поскольку многие неврологические операции, вероятно, будут перенесены из-за блокировки COVID-19, технология тонкопленочных электродов готова выйти на рынок.

Разработчики и производители медицинских устройств должны принять к сведению и понять потенциальные преимущества этой запатентованной технологии - тонкопленочные электроды могут уменьшить осложнения у пациента во время нейрохирургических процедур, обеспечить лучшую четкость сигнала при регистрации активности мозга и потенциально снизить стоимость обслуживания, если устройство позволяет для более короткого пребывания пациентов в больнице.Кроме того, тонкопленочные электроды могут улучшить комфорт пациента во время и после хирургических процедур благодаря легкости изделия.

Разработанная для регистрации активности мозга и стимуляции тканей мозга на срок до 30 дней, мы ожидаем, что эта технология вызовет значительный интерес со стороны неврологов и нейрохирургов, ведущих лечение пациентов с эпилепсией и опухолями головного мозга.

Благодаря своим тонкопленочным свойствам, эта технология кортикального электрода может обеспечить минимально инвазивную доставку через краниотомию уменьшенного размера.Эта возможность является значительным улучшением по сравнению с имеющимися в продаже силиконовыми электродами, которые тяжелее и толще, чем новые тонкопленочные электроды. Кроме того, силиконовые электроды обычно изготавливаются вручную, что делает их дорогостоящими и трудоемкими в производстве, а силиконовая основа существующей электродной технологии не оптимально подходит для мозга, в отличие от тонкопленочного полиимидного материала. Современная технология также ограничена в своей способности увеличивать разрешение записи из-за артефактов сигнала, вызванных опухолью мозга.Напротив, новые технологии полиимидных тонких пленок могут обеспечить запись с более высоким разрешением для более продвинутых клинических приложений.

Настройка
В тонкопленочных электродах используются технологические достижения для создания массивов электродов высокой плотности, которые можно настраивать по запросу врача. Гибкая конструкция должна обеспечивать менее инвазивное размещение на головном мозге по сравнению с методом большой трепанации черепа, который используется для доступных в настоящее время электродов. Кроме того, возможность значительного увеличения разрешения записей мозга может позволить использовать мощные вычислительные методы, такие как машинное обучение и искусственный интеллект.

Разработчики этой инновационной технологии ожидают, что замена нынешних силиконовых электродов электродами с полиимидной подложкой для получения внутричерепной ЭЭГ может обеспечить повышенную клиническую электрофизиологическую ценность при снижении стоимости, риска инфицирования и дискомфорта пациента. Благодаря возможности установки с минимальной инвазивностью, а также конструкции с одним хвостом, технология тонкопленочного электрода может означать меньше постоперационных осложнений и должна снизить риск инфицирования.

Потенциально важный шаг на рынке эпилепсии
Согласно отчету Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) об эпилепсии в 2017 году, это расстройство было диагностировано почти у 50 миллионов человек по всему миру. В США около 3,4 миллиона человек страдают эпилепсией, и ежегодно диагностируется еще 150 000 человек. По оценкам CDC, эпилепсия обходится в 15,5 миллиардов долларов США в год. Примерно 30% (720 000) людей с эпилепсией в США.S. не поддаются фармацевтическому лечению, что делает их подходящими кандидатами для хирургического лечения.

В настоящее время человека, страдающего эпилепсией, обычно лечат лекарствами. Если фармакологическая терапия не увенчалась успехом, пациент может подвергнуться инвазивной хирургической процедуре, чтобы помочь определить области мозга, вызывающие припадки. Эта процедура, называемая iEEG или sEEG, представляет собой практику записи электроэнцефалографических сигналов через кортикальные или глубинные электроды.После диагностической процедуры проводится вторая терапевтическая хирургическая процедура для лечения места возникновения припадка. Степень успеха избавления от приступов после операции колеблется от 30% до 70% в зависимости от локализации приступа и хирургического лечения.

Из-за инвазивности краниотомии нейрохирурги, выполняющие операции по поводу эпилепсии, преимущественно используют электроды сЭЭГ, поскольку их можно установить менее инвазивно с помощью стереотаксической процедуры. Существуют клинические сценарии, в которых имплантация кортикальных электродов и sEEG потенциально может предоставить более полную карту мозга, получая записи с поверхности и глубоких структур коры.Врачи также признают потенциал тонкопленочных электродов для применения при болезни Паркинсона, дистонии, эссенциальном треморе и обезболивании при синдроме неудачной операции на спине.

Лучшее для мозга
Сегодня от 30% до 40% людей с эпилепсией являются кандидатами на операцию, но только 3% подвергаются операции. Такие компании, как NeuroOne, теперь могут предоставлять матрицы тонкопленочных электродов для клинической практики и исследований на людях. Это может привести к тому, что больше людей выберут операцию из-за потенциально менее инвазивного - и менее тревожного - характера операции.

Использование тонкопленочной технологии может стать определяющим моментом в мире медицинских устройств, позволяя пациенту получить «оптимальное картирование» мозга. Это позволяет оценивать активность как глубоко в головном мозге, так и с поверхности за счет одновременного использования кортикального и глубинного электродов.

Тонкопленочные полоски, сеточные и глубинные электроды, изготовленные по технологии литографической полимерной пленки, являются эффективным способом повышения механической гибкости и уменьшения массы.Это лучше для мозга, потому что они весят меньше, чем традиционные электроды, и более точно соответствуют мозгу для более прямого контакта.

Полиимидные тонкопленочные электроды тоньше, легче и предлагают меньше электродов, выходящих из мозга, что потенциально снижает риск заражения. Учитывая их гибкость и универсальность, неудивительно, что этот технологический прогресс вызывает значительный интерес со стороны больниц и исследовательских центров по всему миру.

Кроме того, запись в высоком разрешении с помощью этой технологии может позволить врачу более точно определить проблемную ткань.Контакты на электродах могут быть уменьшены в размере, улучшая возможность увеличения разрешения, а также настраивая конфигурации электродов в соответствии с требованиями врача. Учитывая автоматизированную производственную систему, эта технология также обещает сократить время доставки продукции клиентам.

Системы введения ультратонких нервных электродов

Хронические записывающие нейронные электроды необходимы для неврологических исследований и разработки нервных протезов.Несмотря на успехи в технологии записи, конструкции зондов и методы имплантации со временем улучшились незначительно. Введение гибкого нейронного зонда в мозг в точном целевом месте для хронической записи или стимуляции без повреждения мозга является сложной задачей для ученых-исследователей. Современные стандартные методы компрессионного введения требуют, чтобы зонды были сконструированы из твердых, жестких материалов с стержнем большого диаметра для проникновения в мозг, особенно для достижения более глубоких структур.


Обычно используемые жесткие нейронные зонды, сделанные из жесткой проволоки или кремниевой подложки, страдают от механического несоответствия между жестким зондом и мягкой тканью мозга. Стресс, вызываемый этими датчиками, приводит к электрически изолирующим глиальным рубцам, в результате чего они не могут измерить интересующие нервные импульсы. Уменьшая диаметр зондов и, таким образом, площадь материала, контактирующего с тканью, гибкие электроды из тонкой проволоки смещают меньший объем ткани, вызывая гораздо меньшее сжатие окружающей ткани по сравнению с жесткими электродами.В результате индуцированный иммунный ответ снижается. Однако ручное введение гибких электродов нецелесообразно. Была разработана система введения (верхний рисунок) для предотвращения коробления гибкого электрода за счет использования энергии вращения для стабилизации зонда во время введения. Вращательного движения электрода достаточно, чтобы превысить силу сцепления на поверхности границы раздела электрод-ткань, одновременно предотвращая отклонение электрода от предполагаемого пути.

Настоящий автоматизированный прототип устройства состоит из четырех основных частей: контроллера глубины введения, регулируемого вращателя, уложенной стопкой направляющей для электродов пипетки (нижний левый рисунок) и роботизированного устройства для резки микропроволоки. CID использовал проявляющую систему для имплантации микропроволоки длиной 1 см и диаметром всего 25 микрометров (нижний правый рисунок) с повышенной точностью. После вставки ультратонкие электроды могут использоваться для измерения электрической активности отдельных нейронов при подключении к системе сбора сигналов.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку "Назад" и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Тонкопленочные электроды демонстрируют потенциал для преобразования нейрохирургии

Достижения в технологии тонких пленок вскоре могут предложить менее инвазивное и более экономичное решение для улучшения нейрохирургии для людей с неврологическими заболеваниями мозга, включая эпилепсию.

В 1950-х гг. Талариах и Банко разработали новую методологию, называемую стереоэлектроэнцефалографией (sEEG), для размещения глубинных электродов в просверленных в черепе отверстий, а не для выполнения трепанации черепа для установки кортикальных электродов.Было показано, что менее инвазивная процедура имплантации электродов сЭЭГ по сравнению с кортикальными электродами имеет более низкую заболеваемость.

В то время как sEEG позволяет лучше понять глубокие структуры мозга, корковые электроды могут покрывать большие непрерывные области коры головного мозга или поверхности мозга, чтобы получить целостное представление о нейронной сети. Кроме того, не было никаких серьезных изменений в производственном процессе или в материалах, используемых в каких-либо имеющихся в продаже электродах.

Из-за стоимости и неэффективности трудоемких производственных процессов кортикальных электродов компании начали изучать производство тонкопленочных электродов с использованием современных технологий микротехнологии в конце 1990-х годов.

Если фармакологическая терапия не увенчалась успехом, пациент может подвергнуться инвазивной хирургической процедуре, чтобы определить области мозга, вызывающие припадки. (Кредит: NeuroOne)

Сегодня дизайнеры и инженеры медицинских устройств должны знать о потенциальных преимуществах новейшей запатентованной технологии тонких пленок.Кортикальные электроды Evo ™ («Evo»), первые тонкопленочные гибкие электроды, одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) для регистрации, мониторинга и стимуляции тканей мозга на срок до 30 дней, продемонстрировали снижение иммунологического ответа мозга, потенциально улучшая комфорт пациента и уменьшая сигнальные артефакты 1,2, 3

Снимок преимуществ для заинтересованных сторон

Разработчики этой технологии, предназначенной для регистрации активности мозга и стимуляции тканей мозга на срок до 30 дней, ожидают, что она вызовет значительный интерес со стороны неврологов и нейрохирургов, ведущих лечение пациентов с эпилепсия и опухоли головного мозга.

Обладая тонкопленочными свойствами, эта технология кортикального электрода может обеспечить минимально инвазивную доставку через краниотомию уменьшенного размера. Эта возможность является важным усовершенствованием, поскольку имеющиеся сегодня в продаже силиконовые электроды тяжелее и толще, чем новые тонкопленочные электроды, и их обычно устанавливают при большой трепанации черепа. Кроме того, силиконовые электроды изготавливаются вручную, что делает их производство дорогостоящим и трудоемким по сравнению с текущими автоматизированными процессами, используемыми для производства тонкопленочной технологии.

Тонкопленочные гибкие электроды продемонстрировали снижение иммунологического ответа мозга, потенциально повышая комфорт пациента и уменьшая артефакты сигнала. (Кредит: NeuroOne)

Пациенты - Возможность минимально инвазивного размещения устройства может быть более привлекательной, так же как чрескожная операция на клапане более привлекательна, чем операции на открытом грудном клапане. Например, пациенты с эпилепсией неохотно соглашались на операцию для лечения своей эпилепсии из-за инвазивности процедуры, риска заражения, длительного пребывания в больнице и неопределенной вероятности успеха.

Кроме того, существует потенциал для повышения комфорта во время хирургической процедуры и послеоперационного периода, поскольку этот продукт в восемь раз легче и в семь раз тоньше, чем силиконовые электроды.

Хирурги / врачи - Эта технология может обеспечить повышенную клиническую электрофизиологическую ценность при снижении иммунологического ответа, снижении затрат и потенциально более низком риске инфицирования2. Кроме того, характеристики тонкой пленки электрода могут позволить проводить менее инвазивные операции. как обсуждалось ранее.Кроме того, контакты электродов могут быть уменьшены в размере, улучшая возможность увеличения разрешения, а также настраивать конфигурации электродов в соответствии с требованиями врача.

Кроме того, возможность значительного увеличения разрешения записей мозга может позволить использовать мощные вычислительные методы, такие как машинное обучение и искусственный интеллект.

Производители медицинского оборудования - Эта технология представляет собой значительное улучшение по сравнению с существующими коммерчески доступными силиконовыми электродами, для производства которых требуется ручной труд.Напротив, тонкопленочная технология использует автоматизированные производственные процессы, что позволяет повысить эффективность и потенциально сократить время доставки продукции клиентам.

Влияние на рынок эпилепсии
Тонкопленочные кортикальные и глубинные электроды, изготовленные по технологии литографической полимерной пленки, являются эффективным способом увеличения механической гибкости и уменьшения массы. (Фото: NeuroOne)

Эпилепсия поражает более 1 процента населения мира - более 70 миллионов человек во всем мире. Эпилепсия и судороги поражают более 3 человек.4 миллиона американцев всех возрастов, и на них ежегодно приходится около 15,5 миллиардов долларов прямых расходов (медицинские) и косвенных (потеря или снижение заработка и производительности). 3

Примерно 30 процентов (720 000) людей с эпилепсией в Соединенных Штатах не восприимчивы к лекарственному лечению, что делает их подходящими кандидатами для хирургического лечения. 4

В настоящее время человека, страдающего эпилепсией, обычно лечат лекарствами. Если фармакологическая терапия не увенчалась успехом, пациент может подвергнуться инвазивной хирургической процедуре, чтобы помочь определить области мозга, вызывающие припадки.

Эта процедура, называемая иЭЭГ, представляет собой практику записи электроэнцефалографических сигналов через кортикальные или глубинные электроды. После диагностической процедуры проводится вторая терапевтическая хирургическая процедура для лечения места возникновения припадка. Уровень успеха избавления от припадков после операции колеблется от 30 до 70 процентов в зависимости от локализации припадка и хирургического лечения.

Из-за инвазивности краниотомии нейрохирурги, выполняющие операции по эпилепсии, в основном используют электроды sEEG, поскольку их можно установить менее инвазивно с помощью стереотаксической процедуры.Существуют клинические сценарии, в которых имплантация кортикальных электродов и sEEG потенциально может предоставить более полную карту мозга, получая записи с поверхности и глубоких структур коры.

Врачи также признают потенциал тонкопленочных электродов для применения при болезни Паркинсона, дистонии, эссенциальном треморе и обезболивании при синдроме неудачной операции на спине.

Оптимальное картирование мозга

Сегодня около 30–40 процентов людей с эпилепсией являются кандидатами на операцию, но только 3 процента подвергаются операции.Теперь, когда решетки тонкопленочных электродов готовы к использованию в клинической практике, это может привести к тому, что больше людей выберут операцию из-за потенциально менее инвазивной природы операции.

Использование технологии тонких пленок может стать определяющим моментом в мире медицинских устройств, поскольку позволяет пациенту получить «оптимальное картирование» мозга. Это позволяет оценивать активность как глубоко в головном мозге, так и с поверхности за счет одновременного использования кортикального и глубинного электродов.

Тонкопленочные кортикальные и глубинные электроды, изготовленные по технологии литографической полимерной пленки, являются эффективным способом повышения механической гибкости и снижения массы. Это желанное улучшение для пациентов, потому что они весят меньше, чем традиционные электроды, и более точно прилегают к мозгу для более прямого контакта.

Учитывая их гибкость и универсальность, этот технологический прогресс вызывает интерес со стороны больниц и исследовательских центров по всему миру. В конечном итоге запись в высоком разрешении с помощью этой технологии может позволить врачу более точно определить проблемную ткань.

В то время как многие дизайнеры были сосредоточены на программном и аппаратном обеспечении, а не на инновациях в области электродов, технология тонкопленочных электродов показывает потенциал, чтобы затмить существующие коммерчески одобренные электродные технологии:

  • Повышение разрешения записи.

  • Способность стимулировать ткань головного мозга во время процедуры интраоперационного картирования, которое проводится во время операций, чтобы помочь хирургам идентифицировать и сохранить основные функциональные ткани.

  • Уменьшение воспаления или более «дружественное отношение к мозгу».

  • Использование минимально инвазивного метода установки.

  • Может быть имплантирован для регистрации и идентификации проблемной мозговой ткани и может оставаться имплантированным до тех пор, пока не будет проведено абляционное лечение. Оставление устройства на месте устраняет необходимость в другой операции и поддерживает более точную абляцию, чем если бы хирург впоследствии повторно просверливал и повторно вставлял электрод только для абляции.

Учитывая ключевые преимущества, разработчики этой технологии ожидают, что минимально инвазивные тонкопленочные электроды могут стать новым золотым стандартом при выполнении процедур iEEG.

Ссылки
  1. «Производство в промышленных масштабах тонкопленочных электродных матриц для клинической внутричерепной ЭЭГ», Ежегодное собрание Американского общества эпилепсии, 2019 г.
  2. «Разработка полиимидных электродов для регистрации внутричерепных ЭЭГ с высоким разрешением», Американское общество эпилепсии , Ежегодное собрание, 2017.
  3. «Система регистрации внутричерепных ЭЭГ грызунов с несколькими разрешениями», Ежегодное собрание Американского общества эпилепсии, 2017 г.
  4. «Эпилепсия в цифрах», «Хорошо жить с эпилепсией», 25 ноября 2018 г.
  5. Л. Рудзинский, К. Медор, «Эпилепсия: пять новых вещей», Неврология, 15 февраля 2011 г.
  6. М. Меглио, «Несколько факторов влияют на свободу припадков после операции по эпилепсии», NeurologyLive, 11 февраля 2020 г.

Эта статья была написана Дэйв Роза, президент и главный исполнительный директор NeuroOne Medical Technologies Corp., Иден-Прери, Миннесота. Для получения дополнительной информации посетите здесь .


Medical Design Briefs Magazine

Эта статья впервые появилась в сентябрьском выпуске журнала Medical Design Briefs за сентябрь 2020 года.

Читать статьи в этом выпуске здесь.

Еще статьи из архива читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ на

Прозрачные электроды на основе ультратонкой металлической пленки с относительным коэффициентом пропускания, превышающим 100%

Стратегия достижения относительного пропускания, превышающего 100%

Относительное пропускание, T r , определяется как отношение абсолютного пропускания структуры где прозрачная подложка покрыта металлическим электродом, T D (см.рис.1а), к абсолютному коэффициенту пропускания голой подложки T S (рис. 1b):

$$ T _ {\ mathrm {r}} = \ frac {{T _ {\ mathrm {D}}} } {{T _ {\ mathrm {S}}}} \ приблизительно \ frac {{1 - \ left ({R_1 + A} \ right) - R_2}} {{1 - R_2 - R_2}}. $$

(1)

, где R 1 - отражение на верхней стороне DMD, A - поглощение металлической пленки, а R 2 - отражение на границе раздела подложка / воздух.Для простоты игнорируются множественные двусторонние отражения между передней и нижней поверхностями подложки из-за пренебрежимо малой интенсивности отражения на обеих границах раздела. Интуитивно считается, что T r меньше 100%, потому что металлический электрод обычно является отражающим. Однако в этом разделе мы предоставим рекомендации, основанные на принципах антиотражения, для уменьшения R 1 и A с использованием структуры DMD и покажем, что с оптимизированной конструкцией ( R 1 + A ) может быть меньше одностороннего отражения подложки, R 2 , что приводит к относительному коэффициенту пропускания, превышающему 100%.

Рис. 1: Определение относительной передачи.

a Прозрачная подложка, покрытая структурой DMD. b Голая подложка.

Как показано на рис. 2a, семь параметров (показатель преломления n 2 и толщина d 2 прозрачного диэлектрика 1, показатель преломления n 3 , коэффициент экстинкции, κ 3 , и толщина, d 3 , металлической пленки, и показатель преломления, n 4 , и толщина, d 4 , прозрачной Диэлектрик 2) следует учитывать, чтобы оптимизировать коэффициент пропускания в широком спектре видимого диапазона, что затрудняет предоставление количественных рекомендаций по проектированию 33,34,35 .Наша стратегия проектирования состоит в том, чтобы максимизировать коэффициент пропускания для условий, когда металлическая пленка достаточно толстая для достижения практического сопротивления листа; и, таким образом, эта стратегия обеспечивает синергетическое сочетание высокого оптического пропускания и высокой электропроводности прозрачных электродов на основе DMD.

Рис. 2: Теоретическая конструкция электрода DMD.

a Расчетные параметры и волны отражения на различных поверхностях раздела прозрачного электрода DMD. b Фазорная диаграмма отраженных волн. c Идеальный DMD и его параметры. d Рассчитанные значения левого и правого членов в уравнении. (9) при использовании 24 нм TiO 2 и 9 нм Ag в качестве диэлектрика 2 и металлического слоя, соответственно, в структуре DMD, показывая, что уравнение. (9) хорошо выполняется во всем видимом диапазоне. e Оптимальный средний коэффициент пропускания DMD-электрода в видимом диапазоне (400–700 нм) в зависимости от толщины диэлектрика 2. Здесь TiO 2 и 9 нм Ag используются в качестве нижнего диэлектрического слоя и среднего металлического слоя. , соответственно.Каждое оптимальное значение пропускания при фиксированной толщине TiO 2 определяется путем изменения показателя преломления ( n 2 ) и толщины ( d 2 ) диэлектрика 1.

В качестве первого шага в в процессе проектирования подходящий материал выбирается для зажатого металлического слоя с учетом его (i) электропроводности; (ii) свойство поглощения света в видимом диапазоне. Среди всех металлов серебро (Ag), медь (Cu) и золото (Au) имеют самое низкое собственное электрическое сопротивление.2}}, $$

(2)

, где E ( z ) - электрическое поле в металлической пленке, E 0 - падающее электрическое поле и λ 0 - длина волны в свободном пространстве. При заданной толщине металлического слоя следует выбирать металл с малым ( nk ) с низким поглощением и высоким коэффициентом пропускания. Среди Ag, Cu и Au Ag ( n = 0,13 и k = 3.17 на длине волны 550 нм 38 ) предлагает самый низкий ( нк) в видимом диапазоне и поэтому используется в качестве металлического слоя в этом исследовании. Учитывая малый показатель преломления Ag в действительной части, для простоты в оставшейся части этого раздела разумно предполагается n 3 = 0.

На следующем этапе определяются толщина и показатель преломления диэлектрика 2. Чтобы уменьшить потери на отражение на верхней поверхности, сумма двух векторов, показанных на рис.2a должен быть спроектирован так, чтобы компенсировать r 12 , который представляет собой комплексный коэффициент отражения на границе раздела (1–2) между воздухом ( n 1 = 1) и диэлектриком 1 (\ (r_ {pq } = ({\ widetilde n_p {\ kern 1pt} {\ mathrm {cos}} {\ kern 1pt} \ theta _p - \ widetilde n_q {\ kern 1pt} {\ mathrm {cos}} {\ kern 1pt} \ theta _q}) / ({\ widetilde n_p {\ kern 1pt} {\ mathrm {cos}} {\ kern 1pt} \ theta _p + \ widetilde n_q {\ kern 1pt} {\ mathrm {cos}} {\ kern 1pt} \ theta _q}) \) - коэффициент отражения на границе p - q для TE поляризации, где \ (\ widetilde n_ {p (q)} = n_ {p (q)} + {\ mathrm {i}) } \ kappa _ {p (q)} \) - комплексный показатель преломления слоя p ( q ), а \ (\ theta _ {p (q)} \) - направление распространения волны в соответствующем слой).Первый вектор - это r 23 со сдвигом фазы, полученным из распространения волны в диэлектрике 1. Второй вектор - r 3,45 с величиной затухания, возникающей в результате распространения в металлической пленке, и с фазой сдвиг из-за распространения в диэлектрике 1. r 3,45 - это полный коэффициент отражения на границе 3–4 (где учитывается свет, отраженный от границы раздела между 4 и 5), и может быть выражен как

$$ r_ {3,45} = \ frac {{r_ {34} + r_ {45} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm { {i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}}} {\ lambda} n_4d_4} \ right)}} {{1 + r_ {34} r_ {45} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}}}} {\ lambda} n_4d_4} \ right)}} .$

(3)

Чтобы компенсировать друг друга, давая R 1 = 0, траектория этих трех векторов должна быть треугольником или они должны быть выровнены так, как показано на рис. 2b, поэтому

$$ \ слева | {r_ {3,45} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}) }}} {\ lambda} {\ mathrm {i}} \ kappa _3d_3} \ right) {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {{i} }} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}}} {\ lambda} n_2d_2} \ right)} \ right | \ ge \ left | {r_ {23} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}}) } {\ lambda} n_2d_2} \ right)} \ right | - \ left | {r_ {12}} \ right |.$

(4)

Поскольку n 3 = 0, как мы предполагали,

$$ \ left | {r_ {23} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}}) } {\ lambda} n_2d_2} \ right)} \ right | = 1> \ left | {r_ {12}} \ right |, $$

(5)

$$ \ осталось | {r_ {23} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}}) } {\ lambda} n_2d_2} \ right)} \ right | = 1> \ left | {r_ {3,45} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}) }}} {\ lambda} {\ mathrm {i}} \ kappa _3d_3} \ right) {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {i}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}}} {\ lambda} n_2d_2} \ right)} \ right |, $$

(6)

Таким образом, правильный член в уравнении.(4) представляет собой минимальное значение левого члена, которое достигается, когда три вектора выровнены так, как показано на рис. 2b. В данном случае у нас осталось

$$ \ | {r_ {3,45} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}) }}} {\ lambda} {\ mathrm {i}} \ kappa _3d_3} \ right) {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {{i} }} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}}} {\ lambda} n_2d_2} \ right)} \ right | = \ left | {r_ {23} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \ left ({2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}}) } {\ lambda} n_2d_2} \ right)} \ right | - \ left | {r_ {12}} \ right |, $$

(7)

Когда левый член в уравнении.(4) меньше этого минимального значения, отражение не может быть полностью подавлено.

Поскольку левый член в уравнении. (4) уменьшается с увеличением толщины металлической пленки ( d 3 ), | r 3,45 | должны быть разработаны для достижения максимального значения, чтобы уравнение. (4) может быть выполнено для максимальной толщины металлической пленки для достижения высокой электропроводности. Чтобы максимизировать | r 3,45 |, r 34 и r 45 должны конструктивно мешать друг другу, так что

$$ \ psi _ {{\ mathrm {prop}}} + \ psi _ {45} - \ psi _ {34} = 0, $$

(8)

, где ψ 34 - фазовый угол r 34 , представляющий фазовый сдвиг из-за отражения на границе раздела 3–4, а ψ 45 - фазовый угол r 45 , представляющий фазовый сдвиг отражения на границе 4–5. n 4 > n 5 (показано ниже) дает ψ 45 = 0. ψ prop = 4 πn 4 d 20 4 - это сдвиг фазы распространения, регистрируемый при распространении волны в диэлектрике 2. Тогда мы получаем

$$ \ psi _ {34} = \ frac {{4 {\ mathrm {\ pi}}}} {\ lambda} n_4d_4. $$

(9)

С | r 3,45 | увеличивается с n 4 (см. дополнительный рис.2} \ right)} \ right] \) уменьшается с длиной волны из-за увеличения κ 3 с длиной волны для Ag и значения 4 πn 4 d 4 / λ также уменьшается с длиной волны. Следовательно, уравнение. (9) может потенциально самореализоваться в широком спектре, что приводит к широкополосному высокому коэффициенту пропускания.

Наконец, показатель преломления и толщина диэлектрика 1 выбираются подходящим образом для оптимального пропускания. 2} \ right)} \ right] \) также уменьшается с длиной волны, потому что κ 3 увеличивается с длиной волны для Ag.В отличие от уравнения. (9), уравнение. (12) не может быть выполнено в широком спектре. Таким образом, для достижения широкополосного высокого коэффициента пропускания нам необходимо исследовать показатель преломления и толщину диэлектрика 1 в небольшом диапазоне, чтобы найти оптимальное значение. Поскольку показатель преломления типичных диэлектриков составляет от ~ 1,38 (фторид магния, MgF 2 ) до ~ 2,6 (диоксид титана, TiO 2 ), требуемые усилия значительно снижаются по сравнению со случаем, когда показатели преломления и толщина все три слоя D – M – D необходимо оптимизировать.

Теперь мы резюмируем процедуру проектирования высокопрозрачных электродов DMD. Шаг 1 (выберите n 3 , κ 3 и d 3 ): выберите металлическую пленку с низкими потерями и высокой проводимостью для слоя DMD (в большинстве случаев используйте Ag). Толщина металлической пленки предназначена для достижения электропроводности, необходимой для практического применения. Стоит отметить, что более высокий общий коэффициент пропускания может быть достигнут при использовании более тонкой металлической пленки.Шаг 2 (выберите n 4 ): используйте материалы с высоким показателем преломления для диэлектрика 2. Чем больше используется n 4 , тем выше общий коэффициент пропускания. Шаг 3 (определение d 4 ): толщина диэлектрика 2 рассчитывается с использованием уравнения. (9). Шаг 4 (конструкция n 2 и d 2 ): оптимизируйте показатель преломления и толщину диэлектрика 1 в небольшом диапазоне для достижения оптимального широкополосного пропускания.

Подтверждение концепции

Во-первых, мы используем результаты для идеальной структуры DMD на одной длине волны (рис. 2c), представленные в предыдущем исследовании 39 , чтобы проверить рекомендации по проектированию, представленные в уравнениях. (9), (10) и (12). Согласно исх. 39 , идеальный DMD может быть достигнут на выбранной длине волны для n 1 = n 5 = 1, n 3 = 0, n 2 = n 4 = κ 3 и d 2 = d 4 = λ / (8 κ 3 ).Подставляя n 4 = κ 3 в уравнение. (9) дает d 4 = λ / (8 κ 3 ), заменяя n 2 = κ 3 в уравнение. (12) дает d 2 = λ / (8 κ 3 ) и заменяет n 4 = κ 3 в уравнение. (10) дает n 2 = n 4 , что полностью согласуется с выводами, полученными в работе. 39 .

В реальных случаях подложка не может быть воздухом (например, n 5 n 1 ), а показатели преломления обычных диэлектриков обычно намного меньше, чем коэффициенты экстинкции металлов в видимом диапазоне ( т.е. n 4 « κ 3 ). Это означает, что для диэлектриков 1 и 2 в реалистичной структуре DMD требуются разные материалы, нацеленные на оптимальную широкополосную прозрачность, т.е.е., n 2 n 4 . Однако тот же материал использовался для диэлектриков 1 и 2 в большинстве предыдущих исследований (более 70 опубликованных работ 28 ), что означает, что эти результаты не являются оптимальными с точки зрения оптического пропускания и указывает на необходимость предоставления количественных рекомендаций в чтобы получить оптимизированные конструкции электродов DMD.

Далее, оптические характеристики электрода DMD на общей оптической подложке, PET, разработаны на основе предлагаемых нами рекомендаций.Гибкая подложка из ПЭТ показывает средний абсолютный коэффициент пропускания ~ 88,0% от 400 до 700 нм, как показано на дополнительном рисунке 2. Пленка Ag толщиной 9 нм используется в качестве среднего металлического слоя, а пленка TiO 2 с записанными -высокий n 4 = 2,6 сообщается в исх. 27 используется для диэлектрика 2. На центральной длине волны видимого диапазона (т. Е. 550 нм) ψ 34 рассчитывается как 1,37, что приводит к толщине диэлектрика 2 d 4 = 24 нм. согласно формуле.(9). Как показано на рис. 2d, уравнение. (9) выполняется во всем видимом спектре при d 4 = 24 нм, потому что как левый ( ψ 34 ), так и правый (4 πn 4 d 4 / λ ) члены уравнения убывают с длиной волны, что согласуется с нашим предсказанием, сделанным в приведенном выше обсуждении. Как показано на рис. 2e, более простой способ найти оптимальное значение d 4 , при котором структура DMD представляет наивысший средний коэффициент пропускания в видимом диапазоне (400–700 нм), - это развернуть d 4 в пределах диапазона (e.g., от 10 до 50 нм) и получить наилучший коэффициент пропускания при каждом значении d 4 путем изменения показателя преломления ( n 2 ) и толщины ( d 2 ) диэлектрика 1 Как видно из графика, наивысший средний абсолютный коэффициент пропускания ~ 89,8% достигается при d 4 = 24 нм, что полностью согласуется с результатами расчетов по формуле. (9) и тем самым подтверждает точность предлагаемого нами метода. Соответственно, показатель преломления и толщина диэлектрика 1 равны n 2 = 1.7 и d 2 = 63 нм, соответственно, когда наивысший коэффициент пропускания достигается при d 4 = 24 нм. Абсолютные спектры пропускания и отражения оптимизированной структуры, т. Е. Подложки ПЭТ / 24 нм TiO 2 /9 нм Ag / 63 нм диэлектрика 1, охватывающие весь видимый диапазон, представлены на дополнительном рисунке 3. Это n 2 может быть реализован из пленки Al 2 O 3 , изготовленной с использованием обычных методов осаждения.Относительный коэффициент пропускания оптимизированного электрода DMD T r составляет ~ 102,0% по сравнению с смоделированным коэффициентом пропускания (~ 88,0%) подложки из ПЭТ, что указывает на то, что предложенная нами процедура проектирования эффективно гарантирует оптимальные оптические характеристики структуры DMD. и относительный коэффициент пропускания> 100% достигается при подходящем выборе материала и конструкции.

Экспериментальные демонстрации

Согласно предыдущему анализу, высокая прозрачность может быть достигнута путем подавления потерь на поглощение металла тонкими пленками Ag.Однако большая шероховатость поверхности является неизбежной проблемой для ультратонких (<20 нм) пленок Ag, осажденных из паровой фазы (испарения или распыления), из-за собственной трехмерной (3D) моды роста Фольмера-Вебера атома Ag 40 . Например, среднеквадратичная шероховатость напыленной пленки Ag толщиной 15 нм может достигать 6 нм 41 . Такая проблема повлияет на проводимость пленки и вызовет дополнительные потери на рассеяние, тем самым ухудшив как электрические, так и оптические характеристики электродов DMD.

Недавно мы продемонстрировали новый подход к получению ультратонкой (до 6 нм) и сверхгладкой (среднеквадратичная шероховатость <1 нм) пленки Ag путем легирования металлического элемента (например, алюминия, меди, титана или хрома) во время Осаждение Ag (как показано на дополнительном рисунке 4) 2,5,29,42 . В этой работе мы выбрали Ag, легированный медью, в качестве металлического слоя, поскольку эта пленка обеспечивает самые низкие оптические потери среди различных легированных пленок Ag 5 . Скорость осаждения Cu и Ag была выбрана равной 0.19 и 11,09 Å с −1 соответственно, что соответствует концентрации атомов Cu ~ 2%. Добавленные атомы Cu эффективно подавляют образование трехмерных островков атомов Ag во время осаждения пленки и способствуют раннему образованию ультратонких (<10 нм) пленок Ag. Изображение, полученное методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), демонстрирующее детали пленки Ag, легированной медью, толщиной 6,5 нм, нанесенной на подложку из плавленого кварца, показано на рис. 3a. Среднеквадратичная шероховатость пленки составляет ~ 0,47 нм, что более чем в 10 раз ниже, чем у чистого Ag при аналогичной толщине, о которой сообщалось в предыдущих работах 2,5,41 .Трехмерный вид АСМ-сканирования дополнительно представлен на дополнительном рис. 5, чтобы показать морфологию поверхности и шероховатость ультратонкой пленки Ag, легированной медью.

Рис. 3: Характеристики тонкой пленки серебра, легированного медью.

a Определение характеристик тонкой пленки серебра, легированного медью, с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Масштабная линейка составляет 100 нм. b Измеренная относительная диэлектрическая проницаемость ( ε = ε 1 + i ε 2 ) значения как функция длины волны в свободном пространстве для Ag, легированного медью, и чистого Ag.Заштрихованная область относится к видимому диапазону (400–700 нм), для которого оптимизирован наш электрод DMD.

В качестве прямого представления свойства светопоглощения пленки мнимая часть ( ε 2 ) измеренной диэлектрической проницаемости ( ε = ε 1 + i ε 2 = ( n + i κ ) 2 ) легированного Cu толщиной 6,5 нм Ag (рис. 3b) очень близок к таковому для чистого Ag в видимом диапазоне (400–700 нм), который указывает на низкие оптические потери сверхтонкой пленки Ag, легированной медью.В данном случае пленка чистого серебра толщиной 20 нм была нанесена напылением для калибровки, а показатели преломления как пленки серебра, легированного медью, так и пленки чистого серебра были охарактеризованы с помощью спектроскопической эллипсометрии. Кроме того, пластовое сопротивление этой тонкой пленки Ag, легированной медью, было измерено как ~ 18,6 Ом sq -1 , что свидетельствует о высокой проводимости ультратонкой пленки Ag, легированной медью.

Затем создается прозрачный электрод на основе DMD с использованием этого Ag, легированного медью, толщиной 6,5 нм. Здесь в качестве подложки используется ПЭТ-пленка толщиной ~ 50 мкм, которая демонстрирует превосходную механическую гибкость.Оксид цинка (ZnO) выбран в качестве диэлектрика 2 из-за его высокого показателя преломления ( n ~ 2,0) и незначительных оптических потерь в видимом диапазоне (ZnO является материалом с самым высоким показателем преломления, достижимым в нашей группе). Показатели преломления ПЭТ, ZnO и Ag, легированного медью, во всем видимом диапазоне длин волн представлены на дополнительном рис. 6. Толщина ( d 4 ) диэлектрика 2 рассчитывается как ~ 24 нм по формуле. (9) с учетом n 4 ~ 2.05 и - 3 ~ 0,19 + 3,39i на длине волны 550 нм. Как показано на рис. 4a, интересная компенсация между левой ( ψ 34 ) и правой (4 πn 4 d 4 / λ ) сторонами уравнения. (9) в этом случае также эффективно проверяется охват 400–700 нм. Таким образом, 24 нм ZnO является оптимальным выбором не только для одной длины волны (550 нм), но и для всего видимого диапазона. На последнем этапе показатель преломления и толщина верхнего диэлектрика (Диэлектрик 1) изменяются от 1.3–2,6 и от 1 до 100 нм с шагом 0,05 и 1 нм соответственно, чтобы найти оптимальную комбинацию для наивысшего усредненного абсолютного коэффициента пропускания в диапазоне длин волн 400–700 нм. Рисунок 4b показывает, что n 2 = 1,65 и d 2 = 56 нм для оптимальных условий, и это n 2 близко к показателю преломления Al 2 O 3 . Применяя измеренный показатель преломления Al 2 O 3 (дополнительный рис.6), d 2 был повторно оптимизирован и все еще равен 56 нм.

Рис. 4: Экспериментальная демонстрация сконструированного электрода DMD.

a Рассчитанные значения левого и правого членов в уравнении. (9) при использовании 24 нм ZnO и 6,5 нм Cu, легированного Ag в качестве диэлектрика 2 и металлического слоя, соответственно, в структуре DMD. Это показывает уравнение. (9) хорошо выполняется во всем видимом диапазоне. b Усредненный абсолютный коэффициент пропускания видимого света (%) электрода DMD в зависимости от показателя преломления и толщины верхнего диэлектрика (Диэлектрик 1), когда Диэлектрик 2 и металлический слой выбраны как ZnO 24 нм и 6.5 нм, легированный медью, соответственно. c Рассчитанный (красная сплошная кривая) и измеренный (синяя пунктирная кривая) абсолютный коэффициент пропускания от 400 до 700 нм разработанного прозрачного электрода DMD, демонстрирующий большую согласованность друг с другом. Типичный измеренный спектр со средним коэффициентом пропускания ~ 88,4% взят из результатов измерений 15 образцов. Для сравнения представлен один характерный спектр пропускания голой подложки из ПЭТ со средним коэффициентом пропускания ~ 88,1%, чтобы показать, как улучшаются оптические характеристики оптимизированного электрода DMD.На вставке представлена ​​конфигурация сконструированного электрода DMD: подложка из ПЭТФ / 24 нм ZnO / 6,5 нм Ag, легированный медью / 56 нм Al 2 O 3 . d Фотография изготовленного гибкого электрода с высокой прозрачностью и нейтральным внешним видом.

Как показано на вставке на рис. 4c, окончательная конфигурация прозрачного электрода DMD определяется как подложка из ПЭТФ / 24 нм ZnO / 6,5 нм Ag, легированный медью / 56 нм Al 2 O 3 . Измеренные и смоделированные оптические спектры разработанного электрода представлены на рис.4c, демонстрируя большую согласованность друг с другом. Усредненные абсолютные коэффициенты пропускания на длине волны 400–700 нм, рассчитанные на основе экспериментальных и теоретических результатов, составляют ~ (88,4 ± 0,1)% и ~ 88,4% соответственно. Рисунок 4c ясно показывает, что коэффициент пропускания электрода DMD выше, чем абсолютный коэффициент пропускания голой подложки из ПЭТ (~ (88,1 ± 0,4)% от измерения) с оптическим пропусканием от 416 до 607 нм, эффективно улучшенным с помощью двух просветляющих диэлектриков . Здесь указанные выше погрешности представляют собой одно стандартное отклонение измеренных данных.Экспериментальные усредненные коэффициенты пропускания электрода DMD и подложки из ПЭТ рассчитаны по результатам измерений 15 образцов. Подробные данные можно найти на дополнительных рисунках. 2 и 7. В отличие от всех результатов, представленных в предыдущих работах, относительное пропускание предлагаемого нами электрода DMD превышает 100% ( T r ~ 100,3% на основе данных измерений) как его оптические потери (~ 11,6%). ), возникающее в результате отражения и поглощения стопки (= 100% -пропускание), хорошо подавляется ниже ~ 11.9% оптических потерь на голой подложке из ПЭТ (дополнительный рис. 2). Угловые характеристики электрода DMD дополнительно исследуются на дополнительном рисунке 8, который показывает, что высокий коэффициент пропускания> 75% сохраняется до угла падения 60 °. Фотография изготовленной гибкой структуры DMD на подложке из ПЭТ представлена ​​на рис. 4d, что ясно показывает высокую прозрачность.

Стоит отметить, что еще более высокий коэффициент пропускания может быть достигнут за счет использования нижнего диэлектрика с более высоким показателем преломления, чем у ZnO, такого как TiO 2 (показатель преломления которого составляет около 2.6 в видимом диапазоне 27,43,44 ). В этом случае толщина слоя TiO 2 с высоким показателем преломления определяется как d 4 = 22 нм с использованием уравнения. (9). Показатель преломления и толщина диэлектрика 1 оптимизированы как n 2 = 1,6 и d 2 = 72 нм, соответственно, путем развертки n 2 и d 2 в пределах Широкий ассортимент. Оптимальная структура «ПЭТ-подложка / 22 нм TiO 2 /6.5 нм Ag, легированный медью / диэлектрик 72 нм 1 'дает усредненный абсолютный коэффициент пропускания 89,6% на длине волны 400–700 нм, что соответствует относительному коэффициенту пропускания ~ 101,8%, как показано на дополнительном рисунке 9.

Наконец, мы обсудить функциональность разработанного нами электрода DMD и другие варианты материалов в зависимости от предполагаемого применения. Во-первых, использование изолирующего слоя Al 2, , O , 3, сделает предлагаемую структуру DMD отличным кандидатом на роль прозрачного теплового зеркала 28 , которое можно использовать для размораживания окон или антиобледенения.Во-вторых, чтобы использовать структуру DMD в качестве электрода в оптоэлектронных устройствах, слой Al 2 O 3 можно заменить другими диэлектрическими материалами с аналогичным показателем преломления, которые также могут функционировать как эффективный слой для переноса электронов / дырок. Возможные кандидаты включают золь-гель пленки ZnO 1 , которые обычно используются в качестве слоев переноса электронов в солнечных элементах и ​​органических светодиодах (OLED). Благодаря пористой структуре показатель преломления намного ниже, чем у плотной пленки ZnO, полученной методами вакуумного напыления, и очень близок к идеальному показателю преломления ( n 2 = 1.65), необходимого в нашей конструкции (дополнительный рис. 10). Примечательно, что предлагаемые нами принципы проектирования не ограничиваются обращением с окружающей средой как с воздухом; в дополнительной информации мы показываем, что они также применимы при разработке электрода DMD, используемого в солнечном элементе, в качестве примера оптоэлектронных устройств (см. Дополнительный рисунок 11 для подробнее). В-третьих, диэлектрические слои (ZnO и Al 2 O 3 ) также играют решающую роль в защите ультратонкой металлической пленки от разрушения.Как показано на дополнительном рисунке 12, электрод DMD на подложке из ПЭТ выдержал ускоренное испытание при высокой температуре и влажности (85 ° C, относительная влажность 85%), показывая изменение сопротивления листа на ~ 12,6% после 120 часов испытания, в то время как сопротивление листа ультратонкого Ag с добавкой Cu без какой-либо защиты быстро увеличивается до бесконечности при тех же условиях испытания через 8 часов.

Новая матрица тонкопленочных поверхностных электродов позволяет картировать мозг с высокой пространственной остротой у грызунов

Животные и подготовка к операции

Эксперименты были проведены на 14 морских свинках Данкина-Хартли (альбиносах) (2 самки) (372 ± 48 г) .Все процедуры соответствовали директивам Германии и Европейского Союза по благополучию животных (ETS 123, Директива 2010/63 / EU) и были одобрены государственным органом Германии (Государственное управление по защите потребителей и безопасности пищевых продуктов Нижней Саксонии, LAVES; номер разрешения 14/1514). Нормальный слух был подтвержден слуховыми реакциями ствола головного мозга (ABR; подробности см. В разделе «Акустическая стимуляция»).

Анестезию вызывали внутримышечной инъекцией комбинации кетамина (50 мг / кг массы тела), ксилазина (10 мг / кг) и сульфата атропина (0.1 мг / кг). Для последующей ингаляционной анестезии изготовленную на заказ эндотрахеальную трубку вводили через трахеотомию и подсоединяли к вентилятору (Rodent Ventilator 7025, Ugo Basile, Comerio, Италия). После хирургической подготовки адекватный уровень анестезии для кортикальных записей поддерживался с помощью изофлурана <1,5% в O 2 / воздух и был исследован путем тестирования рефлексов отдергивания лапы и роговицы. Жизненно важные функции оценивали с помощью электрокардиографии (ЭКГ) и капнометрии (CO 2 об.% В конце выдоха; Normocap CO 2 и O 2 Monitor, Datex, Хельсинки, Финляндия).Внутреннюю температуру тела поддерживали на уровне ~ 38,0 ° C с помощью грелки, контролируемой с помощью обратной связи от ректального зонда (контроллер температуры TC-1000, CWE Inc., Ардмор, США).

Для фиксации в стереотаксической раме (Stereotaxic Frame 1430, David Kopf Instruments, Tujunga, USA) обнажили череп и прикрепили головной держатель (изготовленный на заказ фиксирующий стержень из нержавеющей стали) к кости перед швом. Bregma с использованием 3 костных винтов (Ø 0,85 мм, Fine Science Tools GmbH, Гейдельберг, Германия), покрытых стоматологическим акриловым цементом (Paladur, Heraeus Kulzer GmbH, Дормаген, Германия).Для записи слуховой коры выполнялась односторонняя трепанация черепа (~ 5 × 5 мм) с центром на ~ 2,5 мм каудально от Bregma и 7,3 мм латеральнее от средней линии. После удаления твердой мозговой оболочки и установки записывающих электродов мозг покрывали силиконовым маслом медицинского качества (M 5000, Carl Roth GmbH & Co. KG, Карлсруэ, Германия) для предотвращения обезвоживания из-за испарения.

Регистрирующие электроды

Размер сетки ЭКоГ (4 × 4 контакта, 4 мм 2 площадь поверхности; 0.Расстояние между контактами 5 мм) было выбрано для покрытия средней площади первичной слуховой коры (A1) морской свинки. Подложкой для сетки служила тонкая париленовая С-пленка толщиной 20 мкм. Пленка из парилена С была металлизирована золотом, которое покрыто фоторезистом и проявлено после прямой записи (DWL 66 +, Heidelberg Instruments). После травления золота и удаления остатков фоторезиста сетка была подключена к стандартному разъему Omnetics для подключения к системе записи. Последние решетки имели 16 контактов AU (диаметром 100 мкм) с импедансом примерно 200 кОм (см. Результаты).Определенные отверстия в париленовой подложке C позволили одновременно вставить ПЭА (A1x16-5mm-150-177-A16, NeuroNexus, Ann Arbor, USA). Для характеристики ответов на широкополосные стимулы мы регистрировали одновременно 14 корковых позиций (12 животных) с 244 участками записи для сетки ЭКоГ и ПЭА, соответственно. Чтобы оценить пространственную селективность с точки зрения тонотопии, мы записали в общей сложности 21 позицию на поверхности (N = 14 животных, N = 336 участков записи ЭКоГ) в сочетании с 18 позициями из PEA с 16 каналами и импедансом 1.0 ± 0,1 МОм на частоте 1 кГц (N = 288 участков записи). Электрод с серебряным шариком, покрытый бессолевым электродным гелем (Spectra 360, Parker Laboratories INC., Нью-Джерси, США), был помещен через отверстие ~ 1 мм рострально от Bregma на твердую мозговую оболочку в качестве эталона записи для обоих ЭКоГ. сетка и ПЭА. Он был герметизирован от утечки спинномозговой жидкости хирургическим тканевым клеем (Histoacryl, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Германия) и покрыт стоматологическим акриловым цементом.

Акустическая стимуляция

Перед операцией пороги щелчка ABR (т.е.е. самая низкая интенсивность звука, вызывающая визуально различимый отклик) оценивалась с помощью двух трансдермальных серебряных проволочных записывающих электродов: один на вершине, а другой в качестве ретроаурикулярного электрода сравнения. Конденсационные щелчки 50 мкс воспроизводились через аудиометрический динамик наушников (DT48, Beyerdynamic, Heilbronn, Германия) с пятнадцатью ступенями по 5 дБ (уровень звукового давления указан как пиковый эквивалент: 26–91 дБ SPL pe ), с 50 повторениями каждый . Нормальный слух предполагался для порогов ABR ≤35 дБ SPL pe .

Все остальные акустические стимулы предъявлялись в случайном порядке с 30 повторениями каждый (интервал записи: 827 мс). Стимулы доставлялись через аудиометрический динамик наушников в ухо, противоположное кортикальной записывающей стороне. Стимуляция проводилась в условиях закрытого поля с использованием конуса из поливинилхлорида нестандартной конструкции, прикрепленного к динамику и установленного на внешнем проходе. Чувствительность к широкополосным стимулам оценивалась с помощью всплесков белого шума 100 мс (косинусные линейные изменения 10 мс), представленных семнадцатью шагами по 5 дБ (уровень звукового давления указан как среднеквадратичное значение: 0–80 дБ SPL rms ).Для описания тонотопической организации A1 чистые тона (косинусоидальные изменения 100 мс, 10 мс) на частотах от 1 кГц до 32 кГц с шагом обычно 0,5 октавы были представлены с девятью шагами по 10 дБ (0–80 дБ SPL ) . Уровни звука были откалиброваны перед экспериментами на конце конуса стимуляции с помощью программного обеспечения для стимуляции (AudiologyLab, Otoconsult, Франкфурт, Германия) с использованием конденсаторного микрофона (микрофон 1/4 дюйма [4939] в сочетании с предусилителем [2670]). ] и усилитель кондиционирования Nexus [2690], Brüel & Kjaer, Nrum, Дания).

Запись и анализ данных

Записи как сетки ЭКоГ, так и ПЭА были выполнены с использованием настраиваемой настройки записи сборки и программного обеспечения (AudiologyLab, Otoconsult, Франкфурт, Германия). Сигналы были получены и усилены с помощью многоканальной системы записи (система усилителя Lynx-8, усиление в 8000 или 5000 раз, фильтр Баттуорта: 1 Гц – 9 кГц, спад: 12 дБ на октаву, Neuralynx, Bozeman, США) и сохранены в AudiologyLab с частотой дискретизации 25 кГц с использованием 32-канальной карты MIO (NI-6259 National Instruments, Остин, США).Три самых глубоких контакта ПЭА были исключены из анализа, поскольку они обычно вставлялись за пределы серого вещества AC из-за длины ПЭА. Эти контакты обычно либо не давали ответов, либо не регистрировали активность выше пороговых критериев, описанных ниже.

Пиковая амплитуда LFP (пересчитанная на 2 кГц с помощью программы Matlab) анализировалась через 0–200 мс после начала стимула. Частота спайков MUA (спайки / стимул / мс) измерялась через 10-40 мс после начала стимула.MUA рассчитывали, как описано ранее 21 . Короче говоря, сигнал был отфильтрован (нулевой недостаток, эллиптический фильтр 2-го порядка: 300–3000 Гц) и пики длительностью не менее 0,08 мс превышали порог обнаружения (т. Е. 3 * стандартное отклонение, SD, на основе медианной активности сигнала. ) 22 были засчитаны как MUA. Уровень фоновой активности измеряли в течение временного окна до стимула 50 мс и вычитали из соответствующего показателя (амплитуда LFP или частота MUA) в течение времени после стимула.Для сравнения времени начала реакции между сеткой ЭКоГ и PEA латентность первого спайка (FSL) была рассчитана от начала стимула, как время, когда данная последовательность спайков значительно отличалась (p <0,001) от распределения Пуассона 23 .

В качестве меры общей отзывчивости мы описали функции ввода-вывода для широкополосных шумовых стимулов. Мы исключили наборы данных как «не отвечающие», для которых самая высокая интенсивность звука не вызывала как минимум удвоенную среднюю фоновую активность, рассчитанную как среднее значение по всем интенсивностям для каждого контакта.Мы аппроксимировали функции сигмоидальной аппроксимацией (например, Konerding et al ., 2017) 24 и вывели порог отклика (т. Е. Интенсивность звука [дБ], вызывающая 10% максимальной амплитуды отклика) и динамический диапазон (90% макс. –10% от макс.). В отдельных случаях самая высокая интенсивность звука (80 дБ среднеквадратичное значение SPL ) вызывала более низкую амплитуду ответа, чем вторая по величине (75 дБ среднеквадратичное значение SPL ), возможно, из-за рефлексов мышц среднего уха 25 . В этих случаях подгонка проводилась без учета откликов на 80 дБ SPL rms .Чтобы получить сопоставимую меру силы отклика для MUA и LFP, мы рассчитали отношение отклика к фону (RBR) на 20 дБ выше порога отклика как дБ выше средней фоновой активности. Поскольку MUA в основном является бинарным показателем, мы оценили RBR с точки зрения изменений скорости всплесков выше фоновой MUA 26 .

Тонотопическая организация слуховой коры была определена на основе характеристической частоты (CF, частота, которая вызывает ответы при самой низкой интенсивности звука) для каждого места записи.Чтобы вычислить CF, мы интерполировали кривую настройки при 10% максимальной амплитуды LFP или скорости MUA данного контакта 27 , если максимальное значение превышало в 3 раза стандартное отклонение фоновой активности. Ширина настройки была рассчитана в терминах значений Q20: CF, деленная на ширину полосы кривой настройки, на 20 дБ превышающую интенсивность звука при CF (отсюда: порог CF). Для визуальной проверки тонотопии мы определили CF с разрешением 1 октаву и нанесли все контакты, пространственно выровненные на основе артериальных и шовных ориентиров.Основываясь на границе A1 с дорсальной корой (DC), как это выводится из изменения частоты, мы определили тонотопическую ось, ортогональную границе. Чтобы компенсировать индивидуальные различия в структуре коры, мы нормализовали данные в соответствии с координатами CF 8 кГц (взяв среднее значение, если было несколько участков с 8 кГц для одного человека). Впоследствии была рассчитана линейная регрессия вдоль этой тонотопической оси для оценки пространственного тонотопического разрешения в мм / октаве для каждого человека и для всего набора данных.

Субдуральная сетка ЭКоГ сравнивалась с ПЭА в отношении как горизонтального, так и ламинарного расстояния. Для распределения CF по поверхности контакт PEA с самым низким порогом CF сравнивается с контактами сетки ECoG, объединенными в соответствии с расстоянием от точки вставки: закрытый = 0,5 мм (т.е. 4 внутренних контакта), средний = 1 мм, дальний = 1,3 мм (рис. 1А). Для каждого расстояния разница CF между сеткой ЭКоГ и контактами ПЭА рассчитывается в октавах. Если несколько контактов PEA показали одинаковый низкий порог CF, выбиралась медиана CF (два набора данных исключены, поскольку в PEA CF не было выявлено).Чтобы оценить ламинарный вклад в записи ЭКоГ, мы оценили сходство в FSL и силу корреляции. FSL был рассчитан для лучшей частоты (BF). BF был определен как частота, которая вызывает самые высокие суммарные выбросы по всем уровням звука. Он использовался в качестве неинтерполированной оценки CF (на основе MUA), поскольку оба показателя сильно коррелировали (корреляция Спирмена: p <0,001, r = 0,915 N = 317; приложение к рис. 1). Мы использовали среднее значение FSL четырех контактов ЭКоГ, окружающих точку вставки, и объединили контакты ПЭА на основе предполагаемого местоположения в различных кортикальных слоях: супрагранулярные слои: 0–600 мкм (контакт № 1–5), зернистый слой: 800–1100 мкм (контакт № 6–9), инфрагранулярные слои: 1350–1800 мкм (контакт № 10–13).Корреляция между записями сетки ЭКоГ и PEA оценивалась в ответ на всплески шума, чтобы исключить влияние частотной избирательности. Сила корреляции оценивалась как двумерная (время и повторение) корреляция Пирсона (r 2 ) между 4 контактами ЭКоГ, ближайшими к точке введения, и всеми 16 контактами ПЭА с использованием одиночных разверток (автокорреляция: r 2 = 1 ). Записи исключались всякий раз, когда наблюдалось отсечение более чем в 2 отдельных развертках.Чтобы оценить корреляцию LFP, мы проанализировали необработанные сигналы во временном окне 0–200 мс от начала стимула. Для корреляции пиковой активности на поверхности и на глубине мы преобразовали последовательность событий MUA в непрерывный сигнал, вычислив скользящее среднее (ширина интегрирования 1 мс). В качестве оценки общей корреляции между сеткой ЭКоГ и ПЭА мы вычислили сумму развертки по всем 16 контактам ПЭА. Поверхностный контакт с наивысшей корреляцией с этим суммарным сигналом был использован для анализа влияния глубины введения, коррелируя каждый из 16 каналов отдельно с соответствующим контактом ЭКоГ.

Рис. 1

Записи из недавно разработанной сетки ЭКоГ были возможны для всех 16 поверхностных контактов и были аналогичны одновременной записи из традиционной проникающей многоэлектродной матрицы. ( A ) Эскиз субдуральной сетки ЭКоГ. Маркеры на сетке облегчают выделение соответствующих участков поверхности. Указаны расстояния до центральной точки вставки (a = 0,5 мм, b = 1,0 мм, c = 1,3 мм) ( B ) Проникающая многоэлектродная матрица (PEA) вставляется через отверстие в подложке сетки ЭКоГ.Отмечены псевдосильвиева борозда (PSS) и средняя мозговая артерия (MCA), которые служили ориентирами для пространственного совмещения различных положений записи. ( C ) Пример изображения 16-канального ПЭА с одной стойкой. ( D ) Примеры следов (необработанный сигнал) для сетки ЭКоГ и проникающей многоэлектродной матрицы от одной и той же записи коры головного мозга во время спонтанной активности.

Статистический анализ

Принимая во внимание цель данного исследования и из-за разницы в характеристиках контакта электродов (например,грамм. размер и импеданс), мы оценили записи сетки ЭКоГ и контактов ПЭА как независимые измерения и выполнили непарный анализ для сравнения характеристик LFP на обоих электродах. Мы провели парные сравнения для LFP и MUA, записанных на одном и том же контакте электрода. Тест Колмогорова-Смирнова использовался для подтверждения нормального распределения данных и, при необходимости, применялся непараметрический анализ и вычислялось медианное значение ± межквартильный размах (IQR) вместо среднего ± стандартное отклонение (SD).Уровень значимости был установлен на 5%.

Оконные электроды для новых тонкопленочных фотоэлектрических элементов

Новое поколение тонкопленочных фотоэлектрических элементов на основе перовскитов, органических полупроводников и коллоидных квантовых точек имеет большой потенциал для радикального снижения стоимости производства электроэнергии непосредственно из солнечного света и хорошо подходит для различных применений в зданиях.

Новое поколение тонкопленочных фотоэлектрических элементов, основанных на перовскитах, органических полупроводниках и коллоидных квантовых точках, имеет большой потенциал для радикального снижения затрат на производство электроэнергии непосредственно из солнечного света и хорошо подходит для ряда приложений при интеграции зданий и сооружений. транспортировка, для которой обычные плоские фотоэлектрические элементы плохо подходят.Однако достижение полного преимущества по стоимости и широты потенциальных применений в решающей степени зависит от свойств и перечня материалов для электрода, который вводит свет в устройство: оконного электрода. Оконный электрод, идеально подходящий для этих классов появляющейся фотоэлектрической энергии, должен быть основан на недорогом и нетоксичном сырье, которое можно обрабатывать с помощью масштабируемых недорогих методов осаждения, таких как вакуумное напыление с рулона на рулон, печать или нанесение покрытия распылением, и быть совместимым с гибкими подложками.Кроме того, сопротивление электродного листа должно быть менее 10 Ом на квадрат, а абсолютная прозрачность в дальней зоне должна превышать 80%. Этот строгий список требований исключает использование обычных проводящих оксидных электродов, включая стекло с покрытием из оксида индия и олова, которое является ведущим материалом оконных электродов для дисплеев.

В последние годы оконные электроды на основе металлических нанопроволок и оптически тонких металлических пленок на гибких подложках начали становиться действительно жизнеспособными платформами для этой области применения, уже превосходя по своим характеристикам оксид индия-олова на пластиковых подложках.На сегодняшний день предпочтительным металлом является серебро, поскольку оно обеспечивает самую высокую электропроводность и самые низкие оптические потери, хотя его относительно высокая стоимость побудила исследователей исследовать другие более дешевые металлы и сплавы. Эта тема исследования будет посвящена достижениям в области материаловедения и инженерии в этой критически важной, междисциплинарной и плодотворной области исследований. Приветствуются оригинальные исследовательские работы и специализированные обзоры в следующих областях:

1. Химические и физические подходы к стабилизации оптически тонких пленок металлических и металлических нанопроволок в отношении окисления на воздухе и продуктов коррозионного разложения в перовскитных солнечных элементах без гальванической изоляции ;

2.Достижения в процессах осаждения и методах изготовления металлических оконных электродов;

3. Новые конструкции и конструкции оконных электродов;

4. Стратегии нанесения рисунка на оптически тонкие металлы для достижения заданных оптических и электрических свойств; №

5. Плазмонно-активные металлические оконные электроды.

Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как это определено в их заявлениях о миссии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *