Ученые Уральского федерального университета и Института электрофизики УрО РАН разработали метод синтеза четырехкомпонентных нанокомпозитных покрытий. Новый подход не требует высоких температур, дополнительных установок или материалов, а также позволяет получать покрытия с необходимыми характеристиками. Результаты экспериментов и описание метода опубликованы в журнале Membranes. Исследование поддержал Российский научный фонд (грант № 20-79-10059).
Андрей Меньшаков. Фото из личного архива Андрея Меньшакова
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. 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 вреда здоровью, 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», — рассказывает сотрудник базовой кафедры электрофизики УрФУ, научный сотрудник Института электрофизики УрО РАН Андрей Меньшаков.
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. 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», — объясняет Андрей Меньшаков.
Сейчас созданием установок по нанесению подобных защитных покрытий для различных предприятий занимаются как отечественные, так и зарубежные компании, имеющие необходимые технологии для производства. 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 по синтезу покрытий с требуемыми механическими и физико-химическими свойствами.
Информация предоставлена пресс-службой Уральского федерального университета
Источник фото: urfu.ru
