Hаноструктурные покрытия

Технологии нанесения нанопленок и нанопокрытий

К объектам нанотехнологии относятся материалы с размерами зерен от 1 до 100 нм. Синтез наноструктур на поверхности твердофазных тел (матриц) обычно осуществляют следующими методами:

молекулярно-лучевой эпитаксией;
химическим или физическим осаждением из газовой фазы;
технологией пленок Ленгмюра-Блоджетт;
молекулярным наслаиванием.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) обеспечивает выращивание сверхтонких пленок осаждением молекулярного или атомного пучка, испаряемого в глубоком вакууме вещества при его соударении с поверхностью подложки, нагретой до требуемой температуры. Толщина образуемой пленки при выбранной температуре и концентрации испаряемого вещества определяется временем пропускания реагента. Для прекращения процесса выращивания пленки на пути пучка испаряемого материала устанавливают механическую заслонку. По существу МЛЭ представляет собой известный метод получения тонких пленок в процессах вакуумного испарения, но только реализуемый в условиях очень глубокого вакуума.

Методом МЛЭ были синтезированы структуры из монослоев арсенида галлия и алюминия для изделий электронной промышленности.

Тонкие пленки могут быть получены на основе CVD- и PVD-процессов (химического парофазного осаждения или физического парофазного осаждения), когда после термического или ионного испарения происходит осаждение вещества на подложку. При осаждении компонентов плазмы толщина пленки и размеры составляющих ее нанокластеров регулируются изменением давления газа и параметров разряда. Так, широко известные и необходимые в практике пленки нитрида и карбида титана получаются путем ионоплазменного осаждения, что приводит к формированию нанокристаллической структуры пленок. Магнетронное распыление позволяет снизить температуру подложки на несколько сотен градусов.

Преимуществом технологии магнетронного распыления является незначительный нагрев подложки до 50…250°С. Это позволяет осаждать покрытия практически на любые материалы. Кроме того, данная технология позволяет наносить твердые и сверхтвердые наноструктурные покрытия с различным уровнем упругопластических характеристик. Твердость покрытия системы Ti—Si—B—N при магнетронном распылении возрастает с 20 до 40 ГПа.

Пленки Ленгмюра-Блоджетт формируются с помощью ПАВ на поверхности жидкости, обычно воды. В слой ПАВ могут вводиться нанокластеры, молекулы и комплексы металлов, после чего происходит их перенос на твердую подложку. Данный метод позволяет получать сверхрешетки и нанослои молекул и нанокластеров с заданным порядком чередования слоев.

Метод молекулярного наслаивания состоит в организации нанопленки методами химической сборки слоев вещества путем пространственного и временноґго разделения элементарных актов хемосорбции на поверхности подложки, например, SiО₂ или А1₂О₃. Вначале поверхность подложки модифицируется, например, группами ОН или О, а затем проводится реакция хемосорбции с участием комплексов металлов.

Азотирование и гидрирование, а также обработка атомами бора, титана поверхности твердых тел давно служит методом создания прочных тонких пленок на поверхности металлов, например железа, что находит многочисленное применение в практике.

Инженерия поверхности является одним из наиболее перспективных и бурно развивающихся направлений современного материаловедения, обслуживающим различные области науки и техники: физику, химию, медицину, машиностроение, металлургию и т. д. В настоящее время развивается новая отрасль трибологии — нанотрибология, объединившая экспериментальное и теоретическое изучение трения, износа, смазки, химической активности и трибоэлектромагнетизма поверхности на наноструктурном уровне. Подобный комплексный подход полезен для решения важной задачи современного материаловедения — создания наноструктурированных металлических материалов, поверхность которых обладает одновременно смазочными и противокоррозионными свойствами.

Первыми покрытиями, освоенными в промышленных масштабах, были карбид и нитрид титана. К середине 1980-х гг. появились покрытия на основе Ti(C, N), к началу 1990-х гг. — углеродные пленки, а к середине 1990-х гг. — алмазные и многослойные покрытия. Многокомпонентные наноструктурные покрытия обладают высокими физико-механическими свойствами.

В наноструктурных материалах существенную роль играют поверхности границ зерен вследствие значительного увеличения их объемной доли. Это приводит к новым физическим явлениям и уникальным свойствам, присущим наноразмеру. Работы в области получения сверхтвердых (Н ³ 40 ГПа) и ультратвердых (Н ³ 70 ГПа) наноструктурных тонких пленок показали, что твердость материала может практически достигать твердости природного алмаза при условии получения материала, состоящего из нескольких фазовых компонентов с размером зерен до 5 нм и прочными энергиями связи на их границах.

Износостойкость пленок на порядок превосходит износостойкость быстрорежущих сталей и в 2—3 раза выше используемых в промышленности покрытий из нитрида титана.

Ультратвердые трех- и четырехкомпонентные тонкопленочные композиции типа Ti—B—N, Ti—Si—B, Ti—B—C—N, Ti—Al—Si—N помимо высокой твердости и износостойкости характеризуются высоким сопротивлением коррозии.

Тонкие многокомпонентные пленки наносятся либо за счет использования реактивной среды, либо различными методами физического распыления и осаждения.

Формирование в поверхностных слоях конструкционных и инструментальных материалов наноструктурных пленок повышает статическую и усталостную прочность деталей.

Функционально-градиентные покрытия состоят из внутреннего твердого слоя, обеспечивающего низкое давление на поверхность со стороны трущейся пары, стойкость к истиранию и царапанию, и внешнего самосмазывающегося слоя, обеспечивающего низкий коэффициент трения. Самосмазывающиеся покрытия нашли широкое применение в узлах трения различных космических аппаратов. Однако низкая стойкость к окислению на воздухе ограничивает применение таких материалов, как MoS₂, MoSe₂, для режущего и обрабатывающего инструмента. Для повышения коррозионной стойкости используют осаждение твердых многофазных покрытий с низким коэффициентом трения на основе диборида титана TiB₂ и дисульфида молибдена MoS₂. Такие покрытия имеют твердость 20 ГПа и коэффициент трения 0,05.

Чаще других полимеров для износостойких покрытий используют полиуретаны, пентапласт, политетрафторэтилен, полиамиды, эпоксидные композиции. Хорошо противостоят абразивному износу, например, трубы, покрытые изнутри полиуретаном.

Покрытия на основе ненаполненных полиуретановых эластомеров по стойкости к абразивной эрозии превосходят ряд марок коррозионно-стойких сталей.

Одним из перспективных износостойких материалов является поливинилденфторид (ПВДФ). Он применяется как в качестве покрытий и футеровок элементов насосных агрегатов, так и для изготовления насосов для перекачивания агрессивных сред.

Одним из рациональных способов повышения износостойкости покрытий является модифицирование полимерных композиций неорганическими и минеральными наполнителями, например, дисульфидом молибдена, тальком, аморфным бором, корундом, оксидом цинка, карбидом кремния и др.

Снижению износа покрытий способствует наполнение полимерных композиций стекловолокном, графитом, цементом, асбестом, маршаллитом, повышающим прочность, теплостойкость и другие характеристики полимеров.

Перспективно использование полимерного износостойкого покрытия на основе эпоксидной смолы и шламов — отходов предприятий черной металлургии с содержанием общего железа более 60%. Использование шламов расширяет сырьевую базу, удешевляет стоимость покрытия и повышает его физико-механические свойства в условиях воздействия коррозионно-эрозионных сред.

Строение и свойства наноструктурных покрытий

Наноструктурные покрытия обладают комплексом уникальных характеристик: высокой объемной долей границ раздела отдельных зерен, отсутствием внутризеренных дислокаций, присутствием межкристаллитных аморфных прослоек.

Термическое напыление наноструктурных покрытий представляет собой перспективный подход, позволяющий использовать необычные механические и физические свойства наноструктурных материалов (прочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость). Число атомов на границе наноразмерного кристаллического зерна сравнимо с числом атомов внутри самого зерна. Из-за увеличения удельной площади границы количество примесей на единицу площади границы уменьшается по сравнению с крупнозернистым материалом того же состава при той же объемной концентрации примесей. Более чистая поверхность зерен обеспечивает более однородную коррозионную морфологию и более высокую коррозионную стойкость вдоль границ по сравнению с крупнозернистым кристаллическим материалом.

Исследования показали, что у наноструктурных покрытий с размером зерен менее 100 нм происходит резкое улучшение физических характеристик. Наноразмерные кристаллические зерна не только обладают высокой термической стабильностью, но и эффективно тормозят движение дислокаций, что придает покрытиям высокую ударную вязкость и сверхвысокую прочность. Кроме того, важным преимуществом покрытий с наноразмерной зернистой структурой является уменьшение остаточных напряжений, что позволяет создать значительно более толстые покрытия (в отдельных случаях их толщина в четыре раза больше, чем у покрытий из обычных материалов). Термическое напыление при использовании высокоскоростных кислородсодержащих струй позволяет получать разнообразные наноструктурные покрытия (никель, суперсплавы Ni и коррозионно-стойкой стали; Cr₃C₂/NiCr; WC/Co), которые обладают значительно большей (примерно на 60%) микротвердостью, чем покрытия из обычных материалов.

Потенциальные применения рассмотренных методов включают в себя широкий спектр технологий — от термозащитных покрытий лопаток газовых турбин до износостойких деталей вращения.

По американским данным, прибыль от внедрения наноструктурных покрытий в промышленность США может составить несколько миллиардов долларов в год. Развитие этой технологии наверняка коснется таких крупных и важных отраслей, как аэрокосмическая промышленность, производство реактивных двигателей и автомобильная промышленность.

Нанесение на внутренние полости сопел жидкостных ракетных двигателей покрытий с низкой теплопроводностью улучшает их эксплуатационные характеристики.

Система тугоплавкое покрытие—подложка является многоуровневой. При сопряжении покрытия с подложкой различие их упругих характеристик и коэффициента термического расширения может приводить в процессе циклического нагружения к развитию сетки трещин в покрытиях. Процессом можно управлять, если подавить образование трещин нормального отрыва и инициировать развитие трещин сдвига по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений, при этом несущая способность конструкции во внешнем поле не снижается. В результате исследований, выполненных сотрудниками Томского политехнического университета под руководством В.Е.Панина, выяснено, что этого можно достичь при следующих условиях:

тугоплавкое покрытие должно иметь нанокристаллическую структуру и высокую адгезию к подложке;
толщина покрытия не должна превышать определенную критическую величину, чтобы характер распределения напряжений на поверхности раздела оказывал определяющее влияние на развитие трещин сдвига в покрытии;
на поверхности раздела покрытие—подложка должно быть создано распределение напряжений типа «шахматная доска»;
под поверхностью раздела теплозащитного покрытия должен быть сформирован наноструктурированный подслой с высокой релаксационной способностью и разветвленной поверхностью сопряжения с подложкой.

Эффективным способом направленного изменения структуры и состава покрытий может служить бомбардировка пучками ионов высокой энергии, синтезирующими покрытия с изменяющимся по глубине структурно-фазовым составом.

Осаждение покрытий проводилось на установке вакуумного напыления с помощью магнетрона с мишенью из сплава Ti—Al или Si—Al, работающего от импульсов биполярного источника питания. Покрытия на основе SiAlN и TiAlN получали в реактивной среде смеси газов аргона и азота. В качестве подложек применялись образцы из листовой меди.

Наноструктурирование поверхностного слоя подложек проводилось путем:

бомбардировки ионами меди с помощью вакуумно-дугового ионного источника, встроенного в рабочую камеру установки напыления;
ультразвуковой ударной обработки с частотой и амплитудой колебания бойков инструмента соответственно 27 кГц и 20 мкм и статической силой прижима инструмента к поверхности образца 100 Н.

В результате происходит сильная фрагментация зерен поверхностного слоя, которые разбиваются на блоки размером 50…200 нм с углом разориентировки до 10…15°.

Проведение испытаний двухуровневой системы тугоплавкое покрытие—металлическая подложка в условиях термоциклирования в интервале температур 20…1000°С со скоростью нагрева-охлаждения 20°/с показало, что стойкость покрытий определяется распределением напряжений на интерфейсе. Покрытия из SiAlN при несколько меньшей твердости обладают более высокой термоциклической стойкостью.

Наноструктурирование поверхностного слоя методом ионной бомбардировки повышает термоциклическую стойкость тонкого (2 мкм) покрытия в 1,5—2,0 раза, а также может повышать усталостную прочность конструкционных сталей.

Наиболее эффективным способом изменения состояния поверхностного слоя являются его наноструктурирование методами ионной имплантации ионами А1В⁺ и N⁺и ультразвуковой ковки. Толщина наноструктурированного слоя составляет 5…8 мкм. При имплантации ионов А1В⁺ и N⁺ микротвердость стали 1Х15Н4АМЗ-Ш возрастает с 4,4 ГПа до 5,6 ГПа и 4,8 ГПа соответственно. При ультразвуковой обработке стали 1Х15Н4АМЗ-Ш микротвердость поверхностного слоя повышается до 5,2 ГПа, а стали 30ХГСН2А — с 4 до 5,1 ГПа.

Механические свойства стали при растяжении образцов исследуемых материалов с наноструктурированным поверхностным слоем приведены в табл. 24.1.

Таблица 24.1. Механические свойства стали 1Х15Н4АМЗ-Ш с наноструктурированным поверхностным слоем
Обработка	Предел упругости s₀, МПа	Предел текучести s_0,2, МПа	Предел текучести s_в, МПа	Остаточное удлинение, %
Стандартная (СТ)
CT + ионная имплантация А1В
СТ + ионная имплантация азотом
СТ + УФО

Анализ приведенных данных показывает, что формирование наноструктурированного поверхностного слоя оказывает наиболее значительное влияние на предел упругости s₀ и предел текучести s_0,2 исследуемых материалов.

В условиях циклического нагружения формирование таких наноструктурированных слоев положительно сказывается на усталостных характеристиках исследуемых материалов. Усталостная прочность стали 1Х15Н4АМЗ-Ш при имплантации ионов А1В⁺ повышается с 700 МПа до 880 МПа на базе 10⁶ циклов.

Наноструктурированная поверхность слоя подавляет развитие пластической деформации на мезоуровне и повышает напряжение зарождения и развития трещин в поверхностных слоях высокопрочных сталей.

Работоспособность конструкций ограничивается изнашиванием их поверхности толщиной в несколько десятых миллиметра. В этом случае экономически выгодным является восстановление изношенных поверхностей нанесением покрытий газотермическим способом.

Износостойкие покрытия, упрочненные наноразмерными фазами, имеют следующие достоинства:

в 20 раз меньший износ контртела по сравнению с покрытиями, упрочненными микроразмерными фазами;
минимальный износ материала покрытия (при расстояниях между упрочняющими фазами покрытий меньшими, чем размер изнашивающих покрытие частиц);
коэффициент трения керметных покрытий с наноразмерными фазами WC на 20% меньше, чем у покрытий, упрочненных микроразмерными фазами WC.

Защитные покрытия для металлообрабатывающего инструмента должны обладать сочетанием высокой твердости и износостойкости с высокой термической стабильностью и жаростойкостью. В работах сотрудников МИСиСа применяли наноструктурные покрытия на основе Me—N (металлы: Ti, Cr, A1; неметаллы: Si, В, С), которые осаждали путем магнетронного распыления многофазных мишеней в аргоне и газовых смесях аргона с азотом.

Установлено, что покрытия оптимального состава сохраняют твердость 30…40 ГПа, адгезионную прочность 40…50 Н после вакуумного отжига при 600…1000°С. Покрытия продемонстрировали стабильный коэффициент трения на уровне 0,75…0,85 и сравнительно низкую скорость износа в паре с оксидной керамикой при температурах 20…700°С.

Наноструктурные покрытия для машиностроения

Наноструктурные покрытия широко используются в машиностроении. Благодаря высокой твердости и износостойкости в сочетании с теплостойкостью их применяют для режущих инструментов и деталей узлов трения. Многослойные наноструктурные покрытия Ti—B—C/Ti—C—N сочетают в себе высокую износостойкость с коррозионной стойкостью. Их производство освоено в промышленных масштабах.

По химическому составу наноструктурированные покрытия могут быть металлическими, керамическими, полимерными или металлополимерными, металлокерамикополимерными.

По функциональным характеристикам различают износостойкие, антифрикционные, коррозионно-стойкие, жаростойкие покрытия.

Износостойкие покрытия. Для сопротивления абразивному и адгезионному изнашиванию покрытия должны обладать высокой твердостью (Н). Кроме того, они должны иметь низкий модуль упругости (Е) и высокое упругое восстановление (W), что особенно важно в условиях ударных абразивных воздействий. Для оценки износостойкости может использоваться соотношение твердости и упругости (Н/ Е), характеризующее стойкость материала к упругой деформации разрушения. Покрытия должны обладать высоким сопротивлением пластической деформации.

Широкое распространение получили покрытия нитрида титана TiN. Для формирования наноструктурного состояния в систему Ti—N вводят дополнительные элементы, например, кремний и/или бор. В результате размер кристаллитов уменьшается с сотен до единиц нанометров. Такой эффект связан с тем, что при осаждении покрытий T—Si—N и Ti—B—N формируются кристаллические фазы на основе TiN, TiB₂ или TiB, имеющие ограниченную растворимость третьего элемента (Si, В или N). Происходит сегрегация этих элементов по границам кристаллитов, торможение процесса рекристаллизации и формирование аморфной фазы.

Наноструктурные покрытия Ti—Si—N имеют высокую твердость (30…45 ГПа) и достаточно низкий модуль упругости (200…250 ГПа). Механические свойства их зависят от содержания кремния и при 5…10 ат. % Si достигают максимальных значений. Покрытия Ti—Si—N характеризуются высоким сопротивлением абразивному износу. Максимальная твердость достигается за счет формирования структуры, состоящей из нанокристаллитов твердой фазы, разделенных тонкими прослойками аморфной фазы.

Наноструктурные покрытия Ti—B—N характеризуются высокой твердостью (30…55 ГПа), устойчивостью к ударным воздействиям и абразивному износу.

Сверхвысокую твердость (примерно 70 ГПа) имеют покрытия состава Ti—Si—B—N. Хорошие результаты это покрытие показало при испытаниях режущего инструмента.

Добавка алюминия в боронитридные покрытия способствует получению ультрамелкозернистой структуры. Покрытия Ti—Al— B—N содержат кристаллиты размером 0,3…0,8 нм. Такие покрытия превосходят по износостойкости покрытия Ti—B—N, синтезированные путем электронно-лучевого испарения.

Введение углерода в покрытия Ti—B—C—N и Ti—Si—C—N способствует снижению коэффициента трения до 0,2…0,3, что объясняется положительным влиянием углерода, играющего роль твердой смазки.

Антифрикционные покрытия. Для деталей космических аппаратов используют наноструктурные покрытия типа «хамелеон». В процессе трения химический состав трибологических слоев на поверхности покрытий изменяется в зависимости от состава и температуры окружающей среды, поэтому покрытия и получили такое название. Твердые фазы WC, TiC, A1₂О₃ обеспечивают высокую износостойкость, а смазывающие фазы (С, WS₂, BN и др.) снижают коэффициент трения в контактной паре.

Наиболее часто в нанокомпозитах, как и в слоистых покрытиях, в качестве смазывающей фазы используется дисульфид молибдена MoS₂. Известны покрытия Ti—MoS₂, TiN—MoS₂, Ti—SiN— MoS₂, TiB₂—MoS₂ и др.

Селениды вольфрама характеризуются стабильно низким коэффициентом трения и высокой стойкостью к окислению при повышенной влажности воздуха.

Двухслойные покрытия WSe_x /TiC, WSe_x /Ti—C—N и WSe_x /Ti— Si—N, в которых верхние слои состоят из нанокристаллических фаз WSe _x и W₃0, включенных в аморфную матрицу WSe _x, характеризуются стабильно низким коэффициентом трения как на воздухе (0,015…0,050), так и в воде (0,06…0,07).

Коррозионно-стойкие и жаростойкие покрытия. Коррозионная стойкость покрытий определяется их химическим составом, структурой и в меньшей степени зависит от размеров кристаллитов.

Покрытия Ti—Cr—B—N характеризуются более высокими положительными значениями потенциала свободной коррозии и скоростью коррозии, в четыре раза меньшей, чем в покрытиях Ti—B—N. При увеличении содержания хрома в покрытиях Ti—Cr—B—N коррозионная стойкость увеличивается. Перспективным коррозионно-стойким материалом является диборид хрома. Покрытия на основе СrВ₂ обладают высоким сопротивлением износу в условиях воздействия коррозионных сред. Наноструктурные покрытия в системе Cr—B—N, состоящие из кристаллитов СrВ₂ и аморфных областей на основе нитрида бора, обладают высокой коррозионной стойкостью в сочетании с износостойкостью.

Термическая стабильность и жаростойкость определяют долговечность покрытий, работающих при высоких температурах. В отличие от микрокристаллических покрытий твердость наноструктурных не снижается вплоть до 1000°С. При этом в диапазоне температур от 20 до 1000°С покрытия имеют стабильную структуру со средним размером кристаллитов 2…5 нм. Аморфные межзеренные прослойки препятствуют процессу их рекристаллизации. Высокотемпературный отжиг (800…900°С) покрытий Al—Ti—Si—N и W—Si—N способствует увеличению их твердости.

Твердость покрытий Ti—B—N и Ti—Cr—B—N при нагреве до 1000°С сохраняется на уровне 25…30 ГПа.

Жаростойкость покрытий возрастает при введении в их состав элементов, образующих на поверхности защитные оксидные слои (А1, Сr, Si).

Исследование устойчивости наноструктур при высокотемпературном отпуске пленок Ti—Si—N и Ti—Al—Si—N показало, что температура рекристаллизации увеличивается с 850°С при размере нанокристаллов d ³ 5 нм до 1150°С при d £ 3 нм, что связывалось со стабилизацией границ раздела в результате сегрегации. Пленки Ti—Si—N также обладают повышенной стойкостью к высокотемпературному окислению по сравнению с TiC и TiN. Известно положительное влияние алюминия на устойчивость покрытий к высокотемпературному окислению. При низких температурах отпуска благодаря присутствию алюминия кислород растворяется в ГЦК-решетке (Ti, Al)₁ _- _x (C, N) _x. При более высоких температурах алюминий диффундирует к поверхности покрытия, что приводит к образованию защитного слоя Al₂O₃, препятствующего дальнейшему окислению.

Структура нанопокрытий Al—Ti—B—N состоит из кристаллических и аморфных участков размером несколько ангстрем. Фотографии, полученные с помощью электронного микроскопа, позволяют идентифицировать отдельные фазы нанокристаллических размеров в составе анализируемых покрытий.

Сравнительные данные по коррозионно-электрохимическому поведению наноразмерных материалов и аналогичных по составу тонких пленок со средним размером кристаллитов 2…5 нм указывают на существенное понижение скорости коррозии пленок (примерно до 1000 раз), что связано с их наноструктурным состоянием. Кроме того, коррозия пленок на основе TiC—Fe—S—Mo имеет ярко выраженный селективный характер. Преимущественное растворение менее стойкого компонента, прежде всего железа, приводило к обогащению поверхности кремнием и образованию защитной пленки SiO₂. К общим рекомендациям можно отнести увеличение толщины покрытий, уменьшение шероховатости поверхности, получение плотной структуры с отсутствием пор и микроотверстий.

Композитные наноструктурные полимерные покрытия. Твердофазный механохимический метод позволяет получать новые материалы—металл—фторполимерные и металл—керамика—фторполимерные композиты, обладающие высокой электропроводностью, устойчивостью к электроэрозии, низким коэффициентом трения и устойчивостью к механическому истирающему воздействию. При механохимической обработке смесей порошков несмешивающихся металлов — вольфрама и меди с добавкой политетрафторэтилена (до 1 мас. %) образуются композитные частицы размером 30…60 нм. Добавки политетрафторэтилена улучшают прессуемость материала, увеличивая плотность спрессованных заготовок. Коэффициент трения композитного покрытия W—Cu—ПТФЭ близок к коэффициенту трения массивного фторопласта. Механическая обработка в присутствии политетрафторэтилена композитов WC—Cu, TiB₂—Cu и (TiB₂—Cu)—W, керамические частицы в которых получены твердофазными реакциями, позволяет получать эрозионно-стойкие материалы с низким коэффициентом трения.

Таким методом получают токопроводящие покрытия (Cu + ПТФЭ) с низким коэффициентом сухого трения для различных систем скользящего токосъема. Например, в троллейбусных токосъемниках используются вставки с медь-полимерным покрытием.

Эффективным способом повышения физико-механических характеристик покрытий на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) является использование в качестве наполнителя ультрадисперсных порошков Al₂O₃ и ZrO₂, полученных методом плазмохимического синтеза, а также углеродное нановолокно. Модифицирование СВМПЭ ультрадисперсными порошками оксидов алюминия и циркония, прошедших предварительную обработку методами порошковой металлургии, обеспечивает повышение в несколько раз адгезионной прочности, износостойкости, исключает термоусадку.

Небольшие добавки (0,25…0,5 мас. %) нанодисперсных порошков металлов в комбинированный наполнитель для шинных резин на основе каучуков общего назначения улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства: условную прочность, сопротивление раздиру и прочность связи резины с металлокордом. Нанокристаллические порошки металлов получают методом испарения-конденсации, включающим в себя расплавление и испарение металла, конденсацию пара в среде инертного газа и накопление образовавшегося порошка в холодной части объема аппарата.

Сверхтвердые покрытия из нанокомпозитов

Сверхтвердые покрытия из нанокомпозитов имеют большие потенциальные возможности для улучшения характеристик различных рабочих поверхностей (например, режущего инструмента). Обычно сверхтвердыми считаются материалы, имеющие микротвердость в диапазоне между 40 и 80 ГПа. Большинство наноструктурных покрытий различного назначения имеют микротвердость ближе к нижней границе, в интервале 35…40 ГПа. Покрытия с твердостью более 80 ГПа классифицируются как ультратвердые.

Наноструктурные покрытия не являются просто поликристаллическими покрытиями с уменьшенным размером зерен. Свойства наноструктурных покрытий радикально отличаются от свойств микрокристаллических покрытий такого же состава.

Межзеренные и межфазные границы кристаллической структуры являются двумерными (или плоскими) дефектами этой структуры с высокой плотностью границ. Высокая плотность границ трансформирует микрокристаллическую структуру в новый тип структуры — наноструктуру. Наноструктурные покрытия в противовес крупнозернистым поликристаллическим, имеющим средний размер зерен более 1 мкм, могут быть определены как покрытия, имеющие более высокую плотность границ. Чтобы получить наноструктурное состояние, размерность структурных элементов (т. е. средний диаметр зерен, толщина слоев и т. п.) должна находиться в наномасштабном диапазоне (менее 100 нм).

Межфазные границы являются естественными элементами структуры в многофазных нанокомпозиционных покрытиях. Нанокристаллические структуры могут быть представлены как смесь двух структурных компонентов: нанозерен с кристаллической решеткой и межкристаллитных границ. Ширина границ зерен в нанокристаллических материалах находится обычно в пределах от 0,5 до 1,2 нм. Средняя атомная плотность границ ниже, чем в атомной решетке. Атомы в границах, расположение которых варьируется от особо плотного до расположения с широкими интервалами между ними, обусловливают широкие пределы межатомного пространства. Средняя плотность границ может составлять 70…80% атомной плотности кристаллической решетки. Свойства зерен отличаются от свойств границ, поэтому нанокристаллические покрытия можно рассматривать как двухкомпонен

Hаноструктурные покрытия

Поиск по сайту