Ученые УрФУ улучшат качество нанокомпозитных покрытий

Ученые Уральского федерального университета и Института электрофизики УрО РАН разработали новый метод синтеза четырехкомпонентных нанокомпозитных покрытий. Результаты экспериментов и описание метода опубликованы в журнале Membranes.

Нанокомпозитные покрытия на основе титана, кремния, углерода, азота начали производить относительно недавно, около 20 лет назад. Их используют для защиты газотурбинных двигателей в авиа- и машиностроении, для металлообработки, а также в биомедицине.

Такие покрытия перспективны в качестве защитных благодаря уникальному набору свойств. Так, высокая термостойкость и стойкость к окислению позволяют применять их в экстремальных условиях в агрессивных средах, например на деталях авиационных или ракетных двигателей. Антифрикционные свойства, высокая твердость и хорошая ударная вязкость позволяют использовать их на режущих инструментах (резцы, сверла, фрезы и т. п.). Высокая стойкость к пылевой эрозии дает возможность использовать покрытие для защиты лопаток газотурбинных двигателей. Они также обладают хорошей биосовместимостью и применимы для покрытия медицинских протезов и имплантатов.

На сегодня такие четырехкомпонентные покрытия синтезируют с помощью ряда физических и химических методов, однако они имеют недостатки. Уральские ученые предложили метод плазмохимического разложения, который показал лучшие результаты в получении конечных покрытий.

«В сравнении с вакуумно-дуговым методом, преимуществом является отсутствие микрокапель, ухудшающих качество покрытий, — рассказывает сотрудник базовой кафедры электрофизики УрФУ, научный сотрудник института электрофизики УрО РАН Андрей Меньшаков. — В отличие от магнетронного распыления, наш метод обеспечивает более высокие скорости осаждения, высокую плотность потока ионов, необходимую для формирования плотных и качественных покрытий. Если сравнивать с химическим методом, то преимущество состоит в использовании безопасных с точки зрения экологии и здоровья, доступных и недорогих компонентов. Главным достоинством метода, на наш взгляд, является возможность независимо и в широких пределах управлять практически всеми условиями синтеза, а следовательно — составом и свойствами получаемых покрытий, что дает возможность получать пленки с требуемыми характеристиками».

Новый метод относительно прост в реализации: для создания многокомпонентной активной среды используется только газоразрядное устройство с полым катодом и активным анодом. Такой способ осаждения не требует отдельных установок и систем ионизации и фильтрации, поскольку поток испаряемого металла не содержит капель, нарушающих структуру покрытия.

«Нанокомпозитная структура такого покрытия в общем случае представляет собой аморфную матрицу с внедренными в нее нанокристаллами, — объясняет Андрей Меньшаков. — Для получения многокомпонентных нанокомпозитных покрытий мы применяем кремнийорганические прекурсоры — летучие малотоксичные жидкости, содержащие связи «кремний-углерод» и «кремний-азот», участвующие в реакциях, приводящих к образованию конечной структуры. Для синтеза нанокристаллической фазы, состоящей из кристаллов «титан-азот», «титан-углерод» или «титан-углерод-азот», в газовую среду прекурсора мы добавляем титан путем его испарения электронным потоком из плазмы. Таким образом мы создаем активную парогазовую среду, состоящую из продуктов разложения кремнийорганических молекул и паров титана. И из компонентов этой смеси на обрабатываемой поверхности формируется покрытие».

Применение нового метода может повысить энергетическую эффективность существующих установок, а также качество получаемых пленок. При определении конкретных требований к получению покрытий, например на медицинских изделиях или режущем инструменте, необходимо индивидуально подбирать условия синтеза, которые помогут получать покрытия с заданными характеристиками. Сейчас ученые работают именно над этой задачей.

Поделиться
Есть интересная история?
Напишите нам
Читайте также: