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
