НИОКР
Многофункциональные наноструктурные пленки / 26.05.2008
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.
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.