НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ: НОВЫЙ МЕТОД СИНТЕЗА

Нанокомпозитные покрытия на основе титана, кремния, углерода и азота начали производить относительно недавно, около двадцати 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. Высокая термостойкость и стойкость к окислению позволяют применять их в экстремальных условиях в агрессивных средах, например, на деталях авиационных или ракетных двигателей. Благодаря антифрикционным свойствам, высокой твердости и хорошей ударной вязкости их можно использовать при создании режущих инструментов (резцы, сверла, фрезы и т.п.). Высокая стойкость к пылевой эрозии дает возможность применять покрытие для защиты лопаток газотурбинных двигателей. Они также обладают хорошей биосовместимостью и применимы для покрытия медицинских протезов и имплантатов.

Сегодня такие четырехкомпонентные покрытия синтезируют с помощью ряда физических и химических методов, однако у каждого из них свои 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 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. Из компонентов этой смеси на обрабатываемой поверхности и формируется покрытие, — объясняет Андрей Меньшаков.

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. Сейчас ученые работают именно над решением задачи синтеза покрытий с требуемыми механическими и физико-химическими свойствами.