Авторы: Баженов Андрей Юрьевич, Егорова Мария Сергеевна

Рубрика: Спецвыпуск

Опубликовано в Молодой учёный №10 (90) май-2 2015 г.

Дата публикации: 21.05.2015

Статья просмотрена: 22 раза

Библиографическое описание:

Баженов А. Ю., Егорова М. С. Развитие направления модификации поверхности. Экономическая целесообразность применения в промышленности // Молодой ученый. — 2015. — №10.4. — С. 6-9.

Модификация поверхности – новое направление в сфере физики конденсированного состояния и физика плазмы. Она широко раскрывает все возможности материалов, в том числе и создание материалов с необычными свойствами, которые могут использоваться как в машиностроении и электронике, так и в ядерных станциях. Уже сейчас модификацией поверхности занимаются передовые институты страны и мира. С помощью определенных методик, можно будет добиться, что поверхность титана будет обладать радиоактивной стойкостью, можно будет создавать супертвердые покрытия для военной техники и машин и т.д. Данная работа раскрывает проблемы модификаций поверхности, а также основные характеристики и как свойства зависят от выбранных параметров облучения и компонентов осаждения, а также даст понятия о нанокомпанентых и наноградиентных поверхностях.

В настоящее время большое внимание уделяется методам получения сверхмелкозернистых объёмных и дисперсных материалов. Было обнаружено, что уменьшению размера этих материалов, ниже некоторой пороговой величины приводит к существенному изменению физико-химических свойств материалов. Такие свойства проявляются, когда средний размер зерен менее 40 нм и которым по классификации веществ, принято называть нанокристаллическими. Также помимо размеров зерен, важную роль играет структура и состояние границ разделов зерен. Это влияние особенно для таких материалов, которые на границе разделов зерен имеют неравновесное состояние, что приводит к самопроизвольной релаксации таких границ. Необходимо также отметить, что и сами зерна могут содержать различные дефекты, количество и распределение которых качественно иное, чем в крупных зернах.

Нанокристалические пленки характеризуются широкими, малоинтенсивными отражениями X – лучей. Такие пленки, формируются переходными областями, где сильно изменена структура этих пленок. Существуют три группы переходных состояний:

·                Переход из кристаллической в аморфную фазу;

·                    Переход между двумя фазами различных материалов;

·                    Переход между двумя основными ориентациями зерен одного и того же материала (рис 1).

Рис. 1 – Схематичное изображение переходных областей соединения. a) – область перехода из кристаллической в аморфную фазу. б) – область перехода между двумя кристаллическими фазами или двумя основными кристаллографическими ориентациями зерен.

В последнее время было показано, что не только бомбардировка растущей пленки, но и эффект перемешивания, т.е. добавление одного или более элементов к одноэлементному базовому материалу, может привести к модификации микроструктуры, фазового и химического составов нанесенных пленок. Используя ионную бомбардировку и эффект перемешивания, можно контролировать текстуру, размеры зерен и шероховатость поверхности наносимых пленок [1]. Однако, при этом были обнаружены существенные отличия в кристаллической ориентации при увеличении отрицательного смещения Us у пленок из чистого Ti и пленок на основе соединений Ti. Полученные пленки Ti были поликристаллическими при всех значениях Us, а пленки на основе соединений Ti, формировались не только как поликристаллы, но и как аморфные, нанокристаллические. Их характеризовала очень широкая полная ширина на полумаксимуме (full width at half maximum – FWHM), вплоть до 10° и очень низкая интенсивность рефлексных линий. Формирование нанокристаллических пленок сильно зависит от типа и количества до пинговых(легирующих) элементов, которые добавляют к Ti. При низком содержании допинговых элементов(~10% или ниже) для получения пленок с широкими и низкоинтенсивными рефлексами (что является типичным свойством нанокристаллических пленок) необходима комбинация ионного облучения и эффекта перемешивания, и наоборот, при получении пленок из сплавов с высоким содержанием(выше10%) допинговых элементов, перемешивание Ti и допинговых элементов является доминирующим процессом, который сам по себе образует многокомпонентные пленки с наноструктурой с очень широкими(FWHM ~10°) низкоинтенсивными рефлексами даже при нулевом смещении Us= 0. Особенности свойств нанокристаллических пленок, можно использовать для производства новых материалов. Эффект перемешивания играет ключевую роль не только в производстве нанокристаллических многокомпонентных пленок, но также позволяет формировать низкотемпературные фазы в многокомпонентных пленках, нанесенных при температуре подложки ниже 100° С, поэтому формирование этих высокотемпературных фаз при относительно низких температурах подложки имеет большое научное и практическое значение. Результаты получения и изучения свойств микро-нанокристаллических слоистых имногокомпонентных покрытий Ti-Mo-N, Ti-Cu-N, Ti-Al-N, Fe-Ti-C приведены в работах. За счет правильного подбора легирующих элементов и их количества, были сформированы покрытия с высокой адгезией к подложке и низкой адгезионной активностью к контртелу, стойкостью против окисления при высоких температурах, созданием диффузионного барьера между контактирующими материалами.

Нанокомпозитные покрытия представляют новую генерацию материалов. Они состоят, как минимум, из двух фаз с нанокристаллической и аморфной структурой [2]. Нанокомпозитные материалы, вследствие малой (≤10 нм) размерности зерен, из которых они состоят, и более значимой роли граничных зон, окружающих отдельные зерна, ведут себя по-разному, по сравнению с обычными материала-ми, размеры зерен которых более 100 нм и демонстрируют совершенно новые свойства. Нанокомпозиты могут иметь разные наноструктуры:

1. Нанокомпозиты с колумнарной наноструктурой, состоят из зерен, объединенных в наноколумнарные структуры количества вторичной(второй) фазы (основного материала) недостаточно, чтобы покрыть полностью поверхность всех зерен.

2. Нанокомпозиты с плотной наноглобулярной наноструктурой, состоят из нанозерен, полностью окруженных фазой основного материала.

3. Нанокомпозиты с плотной глобулярной наноструктурой, состоящей из нанозерен различных материалов или нанозерен с различными кристаллографическими ориентациями и/или структурой решетки, состоящей из одного и того же материала, рис. 2.

Рис. 2 – Схематичная иллюстрация различных структур наноструктурных композитов а) Колумнарные б) Нанозерна, окруженной фазой эквивалентной основному материалу в) Смесь нанозерен

Эта классификация, подтвержденная экспериментально, ясно показывает, что физико-механические свойства напрямую связаны с размером и формой строительных блоков, из которых состоят нанокомпозиты. Геометрия этих зерен играет решающую роль. Нанокомпозиты могут иметь разные наноструктуры, и, в зависимости от этого, разные физико-механические свойства.

В настоящее время, существуют множество отраслей, в которых возможно применение МИП и НСЭП, а также нанокомпозитные покрытия, будь то на ядерной станции, для создания материала с большой прочностью, что приведет к большей безопасности сооружения, или же в военной промышленности или в хозяйственной деятельности. Был проведен опыт, по исследование механических свойств облученных и необлученных поверхностей. Для этого под давление на поверхность прикладывалось алмазное лезвие, и исследовалось зависимость приложенной силы от обратного напряжения. Рисунок 3, показывает образованные дефекты поверхности структуры покрытия.

Рис. 3 – Образованный дефект поверхности структуры после исследования

Из проведенных экспериментов, было выявлено, что структура материала, а также его свойства зависят напрямую от характеристик используемого излучения. В дальнейшем, можно будет не только получать материалы с повышенной прочностью, а также варьировать легко свойствами материала, создавать супертвердые поверхности, создавать поверхности с радиационной стойкостью, супер гладкие поверхности и т.д., что найдет применения в любой промышленных отраслях мира.

Результаты использования нанокристаллических многослойных покрытий, полученных магнетронным, вакуумно-дуговым методами для повышения работоспособности режущего инструмента. Стойкостные испытания сверл с нанокристаллическим покрытием TiN/AlN периодом слоев 3,6 нм, осажденным магнтронным способом свидетельствуют, что стойкость режущего инструмента при сверлении стеклопластика повышается на 25% по сравнению с покрытием TiN. Покрытия Ti1-xAlxN, нанесенные на пластины твердого сплава Т15К6 повысило работоспособность в 3 – 4 раза при скоростях резания 3 – 4 м/с без использования смазочно-охлаждающей жидкости. Также нанокристаллическое покрытие Ti-Zr-N, нанесенное на пластины твердого сплава Т15К6, увеличило работоспособность режущего инструмента на 30% по сравнению с покрытием TiN. Нанокомпозиция Fe-Ti-C по своим эксплуатационным показателям существенно превышает эксплутационные характеристики покрытия TiN [3]. Работоспособность режущего инструмента с покрытием Ti-Al-N увеличилась в 3 – 3,5 раза по сравнению с нитридом титана. Показаны широкие возможности их использования в навигационно-приборных комплексах, широкополосных системах электромагнитной защиты, создание высокотемпературных топливных элементов и пр. Нанокомпозитные покрытия nc-(Al1-xTix)N/α-Si3N4, нанесенные на промышленном оборудовании показали хорошие результаты термической стабильности и стойкости к оксидированию. Тонкий слой Si3N4 стабилизирует обогащенный Al метастабильный твердый раствор(Al1-хTiх)N от декомпозиции внутрь β-TiN и γ-AlN и сопутствующего размягчению.

 

Литература:

1.             Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры,нанотехнологии. – М.: Физматлит, 2005. –416 с

2.             Gleiter H. Nanocrystalline materials//Progress in Materials Sceince. – 1989. – Vol. 33. – P. 223-314.

3.             Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure//Acta mater. – 2000. –Vol. 48. – P. 1-29

Основные термины (генерируются автоматически): нанокристаллических пленок, режущего инструмента, разделов зерен, размеры зерен, ориентациями зерен, основе соединений ti, кристаллографическими ориентациями зерен, твердого сплава Т15К6, основными ориентациями зерен, пластины твердого сплава, границ разделов зерен, границе разделов зерен, средний размер зерен, Формирование нанокристаллических пленок, нанокристаллических многокомпонентных пленок, свойств нанокристаллических пленок, свойством нанокристаллических пленок, размеров зерен, поверхности структуры, размерности зерен.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос