Популярные Нано Технологии

Размещение материала

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

Кадры

Фотогалерея

НИОКР

Многофункциональные наноструктурные пленки / 26.05.2008

© Е.А.Левашов

Источник: Нанометр

Автор: Е.А.Левашов

Новые материалы являются основой технологий 21 века, а индустрия наносистем и материалов - одно из приоритетных направлений развития науки и техники, влияющих сегодня почти на все научные направления и сферы деятельности. Важным, бурно развивающимся направлением науки о материалах является инженерия поверхности применительно к созданию функциональных наноструктурных пленок и покрытий с характерным размером кристаллитов от 1 нм (рис.1) до нескольких десятков нм. На рисунке 1 показана структура пленки в системе Ti-Al-B-N, снятая с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения. Здесь нанокристалл нитридной фазы (Ti,Al)N размером 1.5 нм выделен кругом, а точки на фотографии - это атомы.

mnp1.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис. 1. Кристаллит размером 1.5 нм в пленке Ti-Al-B-N.

 

Высокая объемная доля границ раздела с прочной энергией связи, отсутствие дислокаций внутри нанокристаллитов размером 1-4 нм, возможность получения пленок с контролируемым соотношением объемных долей кристаллической и аморфной фаз, изменение взаимной растворимости элементов в фазах внедрения – все эти факторы приводят к уникальным свойствам наноструктурных пленок, их многофункциональности, что проявляется в высоких значениях твердости (Н > 30 ГПа), величины упругого восстановления (>70%), прочности, термической стабильности, жаростойкости и коррозионной стойкости.

Важным преимуществом многофункциональных наноструктурных пленок (МНП) является то, что можно получать сверхтвердые материалы с одинаковой твердостью, но различными значениями модуля упругости (Е). Это означает, что тонкие пленки с одинаковой твердостью различаются значениями упругой деформации разрушения (описывается соотношением H/E) и сопротивления материала пластической деформации (описывается соотношением H3/E2).

МНП находят успешное применение для защиты поверхности изделий и инструмента, подвергающегося одновременному воздействию высоких температур, агрессивных сред и различных видов износа. Это, прежде всего, режущий и штамповый инструмент, прокатные валки, детали авиационных двигателей, газовых турбин и компрессоров, подшипники скольжения, сопла для экструзии стекла и минерального волокна и др. МНП оказываются незаменимыми для создания нового поколения биосовместимых материалов – ортопедических и дентальных имплантатов, имплантатов для черепно-челюстно-лицевой хирургии, фиксации шейного и поясничного отделов позвоночника и др.

В промышленности широко используются пленки на основе нитрида титана. Введение в состав пленки третьего компонента позволяет повысить физико-механические свойства и значительно расширить область применения защитных покрытий. Большой интерес к системе Ti-Si-N связан, в первую очередь, с тем, что пленки обладают высокими значениями твердости, термической стабильностью, стойкости к окислению при высоких температурах и сопротивлением абразивному износу.

Наноструктурные пленки в системе Ti-B-N также обладают целым рядом важных эксплуатационных характеристик: высокой твердостью, термической стабильностью вплоть до 1000оС в вакууме, повышенной жаростойкостью, износо- и коррозионной стойкостью, устойчивостью к ударным воздействиям, высокими значениями электросопротивления.

Известно положительное влияние хрома на стойкость карбидов, боридов и нитридов титана к окислению и на износостойкость при повышенных температурах. Введение легирующих элементов Al, Si и Cr в состав защитных покрытий позволяет добиться сочетания высокой твердости и износостойкости с относительно низким коэффициентом трения.

Эффективным путем синтеза МНП является ионно-плазменное напыление, в частности магнетронное распыления (МР) и МР при ассистировании потоком высокоэнергетических ионов металла. Данная технология позволяет получать МНП контролируемого состава в системах Ti-(Si,Cr,Al)-(B,N,C) с высоким уровнем механических и трибологических характеристик (трибология - наука о трении).

Значительный интерес представляют сверхтвердые наноструктурные пленки, состоящие из несмешиваемых фаз (или фаз с ограниченной растворимостью) в виде нанокристаллов и аморфной фазы (а-), окружающей эти нанокристаллы. В качестве наноструктурных фаз (нс-) используют соединения твердых нитридов переходных металлов (TiN, CrN, AlN, ZrN, TaN, …), карбидов (TiC, VC, WC, ZrC,…), боридов (TiB2, CrB2, WB, ZrB2,…), оксидов (Al2O3, TiO2, SiO2, MgO, Y2O3, ZrO2,…), силицидов (TiSi2, CrSi2, ZrSi2, …), а в качестве аморфной матрицы могут выступать такие соединения как a-Si3N4, a-BN, а-С и др. Синтез подобных покрытий определяется возможностью одновременного со-осаждения нанокристаллических и аморфных фаз, например: нc-TiC+нс-TiB2+a-BN в системе Ti-B-C-N; нc-TiN+нс-TiB2+a-BN в системе Ti-B-N; нс-TiN+нс-TiSi2+a-Si3N4 в системе Ti-Si-N; нc-TiB2+нс-TiC+a-B4C в системе Ti-C-B; нc-TiB2+нс-TiN+нс-TiSi2+a-Si3N4 в системе Ti-Si-B-N; нc-WC+a-C в системе W-C; нc-TiB2+нс-TiAlN+a-BN+а-AlN в системе Ti-Al-B-N; нc-W2N+a-Si3N4 в системе W-Si-N; нc-TiC+a-C в системе Ti-C; нс-TiAlN+ a-Si3N4 в системе Ti-Al-Si-N; нc-CrN+a-Si3N4 в системе Cr-Si-N и др.

mnp2.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Модель сверхтвердой наноструктурной пленки 

 

Модель сверхтвердой пленки показана на рис. 2. Суть модели состоит в том, что свободные от дислокаций нанокристаллы твердых фаз размером 3-10 нм окружены тонкой прослойкой аморфной фазы размером 1-2 нм. При этом предполагается, что поскольку в нанокристаллах и аморфной фазе отсутствует дислокационная активность, то такие пленки должны обладать высокими значениями сопротивления пластической деформации и упругого восстановления. Считается, что источники размножения дислокаций не могут существовать в нанокристаллитах размером менее 3 нм.

mnp3.gif

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис. 3. Краевая дислокация внутри кристаллита (большой круг)
размером 5 нм и дислокации несоответствия на границе раздела кристаллитов (малые круги) в пленке Ti-Si-B-N

 

При изучении структуры различных нс- пленок, например, в системе Ti-B-N с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения отмечалось существование краевых дислокаций в кристаллитах размером 5-15 нм. На рис. 3 показана (красным кругом) краевая дислокация внутри кристаллита размером 5 нм. Также следует отметить, что даже в сверхтвердых наноструктурных пленках на границах раздела часто встречаются дислокации несоответствия (рис. 3), приводящие к появлению дальнодействующих полей упругих напряжений. Наличие дислокаций на границах раздела зерен свидетельствует о деформации по механизму межзеренного проскальзывания.

Появление аморфной фазы, как правило, приводит к трансформации колонной структуры пленки, представляющей собой совокупность взаимосвязанных колонн, в композитную наноструктурную пленку, в которой нанокристаллы одной или нескольких фаз окружены тонкими аморфными прослойками. Такая композитная нс- пленка соответствует описанной выше модели сверхтвердой наноструктурной пленки. Контролируемое введение “аморфизаторов”, например бора или кремния, позволяет управлять структурой и свойствами наноструктурных пленок. Так, максимальные значения твердости в пленках Me-Si-N были получены в композитных наноструктурных пленках MeN-a-Si3N4 при содержании кремния в интервале 7-10 ат. %. При этом размер кристаллитов dc, соответствующий максимуму твердости, для большинства составов наноструктурных пленок близок к 10 нм. Данный максимум обусловлен тем, что вблизи этого значения твердости происходит непрерывный переход от макроскопических процессов зарождения и движения дислокаций при d > dc, описываемых законом Холла-Петча (Н~d-1/2), к межкристаллитным процессам локального проскальзывания по границам зерен и фаз при d < dc.

Вместе с тем, твердость наноструктурных пленок с размером кристаллитов менее 10 нм может варьироваться в достаточно широких пределах.

Хотя причины сверхвысокой твердости отдельных композиций до конца не поняты, можно перечислить основные факторы, способствующие росту твердости:

- высокие сжимающие напряжения вследствие разности коэффициентов термического расширения пленки и подложки;

- искажение решетки кристаллических фаз вследствие слабой взаимной растворимости элементов и фаз;

- высокие внутренние напряжения (или напряжения роста)

- наличие прочной химической связи между различными фазовыми составляющими.

Помимо твердости, механические свойства наноструктурных покрытий характеризуются эффективным модулем упругости Е* =Е/(1- ν2) (где ν – коэффициент Пуассона) и величиной упругого восстановления We. Численные значения этих характеристик могут быть измерены с помощью нанотвердомера, после чего рассчитываются параметры H/E и H3/E2. Зависимости Н= f(E*), H3/E*2= f(H) и We= f(H) являются основными соотношениями между механическими свойствами пленок. При этом для целого ряда оксидных, карбидных, нитридных и композиционных наноструктурных пленок зависимость Н=f(E*) может быть аппроксимирована прямой линией: H (ГПа)=0.15ґЕ*(ГПа)–12, а зависимость H3/E2=f(H) - параболой H3/E2=4.3ґ10-4Н2. Данные уравнения полезны для предсказания механического поведения покрытий.

<< первая < пред. 1 2 3 след. > последняя >>

Авторизация

логин
пароль
Регистрация Забыли пароль?

Реклама нефтегаз

Анонсы событий