Печатная версия
Архив / Поиск

Archives
Archives
Archiv

Редакция
и контакты

К 50-летию СО РАН
Фотогалерея
Приложения
Научные СМИ
Портал СО РАН

© «Наука в Сибири», 2019

Сайт разработан и поддерживается
Институтом вычислительных
технологий СО РАН

При перепечатке материалов
или использованиии
опубликованной
в «НВС» информации
ссылка на газету обязательна

Наука в Сибири Выходит с 4 июля 1961 г.
On-line версия: www.sbras.info | Новости | Архив c 1961 по текущий год (в формате pdf), упорядоченный по годам
 
в оглавлениеN 3 (2588) 18 января 2007 г.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ —
ОТ ИССЛЕДОВАНИЙ К ПРИМЕНЕНИЯМ

Обнаруженные в последние годы эффекты существенного изменения свойств материалов и изделий в результате создания на их поверхности наноструктурных слоев и покрытий открывают перспективы их широкого использования в различных отраслях промышленности — от микроэлектроники до тяжелого машиностроения.

Н. Коваль, д.т.н., зав. лаб.,
Н. Сочугов,к.ф.-м.н.,
А. Батраков, д.ф.-м.н., зав. лаб.

Особенно эффективны для создания таких слоев методы вакуумной электронно-ионно-плазменной модификации поверхности. Перспективность этих методов обусловлена тем, что воздействие концентрированных потоков заряженных частиц и плазмы открывает широчайшие возможности для управления структурой поверхности на атомарном уровне. Поатомное конструирование поверхностных слоев позволяет кардинально улучшить функциональные характеристики изделий, создать продукцию с принципиально новыми свойствами. В частности, повысить твердость, износо- и коррозионную стойкость поверхности, получить наноструктурные покрытия с заданной электро- и теплопроводностью и прочее. Отличительные особенности технологий формирования наноструктурных слоев и покрытий — низкая стоимость сырья и высокая стоимость технологии в конечном продукте.

В научной школе, сформировавшейся в Институте сильноточной электроники СО РАН под руководством академиков Г. Месяца и С. Бугаева, работы по созданию электронно-ионно-плазменных технологий ведутся в течение двух десятков лет. Область проводимых исследований охватывает проблемы формирования сильноточных разрядов, генерации плотной плазмы, создания на этой основе эффективных плазмогенераторов и источников заряженных частиц. В последние годы сотрудниками ИСЭ СО РАН разработаны научные основы электронно-ионно-плазменных технологий получения нанокристаллических и нанокомпозитных слоев и покрытий с уникальными физическими и эксплуатационными свойствами.

Иллюстрация
Установка для электронно-пучковой обработки материалов (ИСЭ СО РАН).

Один из ярких примеров практического использования разработок ИСЭ СО РАН — технология наноструктурирования поверхности металлов и сплавов низкоэнергетическими импульсными электронными пучками. Созданное в ИСЭ оборудование по совокупности параметров не имеет аналогов и предназначено для реализации современных электронно-пучковых технологий модификации поверхности материалов.

Принцип электронно-пучковой модификации поверхности достаточно прост. Воздействие сильноточного импульсного электронного пучка приводит к импульсному нагреву, расплавлению и сверхбыстрой рекристаллизации тонкого поверхностного слоя металлического изделия вследствие того, что само изделие остается практически холодным. Модифицированный таким образом поверхностный слой приобретает нанокристаллическую структуру, обладающую уникальными свойствами: он имеет меньшую шероховатость поверхности, что позволяет использовать электронно-пучковую обработку вместо механической полировки изделий. Слой с нанокристаллическим состоянием многофазной структуры защищает поверхность от коррозии. Обработка режущего инструмента на импульсной электронно-лучевой установке позволяет получить материал с высокими прочностными свойствами, высокой стойкостью к ударным нагрузкам и термоциклированию. Разработанная технология позволяет модифицировать поверхность инструмента, изготовленного даже из такого тугоплавкого материала, как карбид вольфрама, при этом срок службы инструмента повышается вдвое. Новая технология имеет большой потенциал коммерциализации.

Иллюстрация Иллюстрация
Штампы из твердого сплава: до обработки электронным пучком — слева, после обработки электронным пучком — справа.

Еще одной важной задачей, решаемой в институте, является разработка технологий нанесения сверхтвердых нанокомпозитных покрытий. Проблема упрочнения поверхности деталей машин, штампового и режущего инструмента хорошо известна практически на любом металлообрабатывающем производстве. Борьба с преждевременным износом деталей и инструмента приобретает все большее значение, т.к. развитие большинства технологических процессов связано с увеличением нагрузок, температур, агрессивных сред, в которых работают эти изделия. В последнее время в качестве эффективного способа упрочнения поверхности изделий, выполненных из различных материалов, все большее применение находят методы ионно-плазменного воздействия. Интенсивные исследования в этом направлении начались сравнительно недавно, примерно 15 лет назад, после того, как была обнаружена аномально высокая твердость таких покрытий. В большинстве случаев их структура представляет собой нанокомпозит — смесь, по крайней мере, из двух фаз, причем среди них могут быть фазы с аморфной структурой. Наибольшую твердость имеют нанокомпозиты TiN/BN, TiN/TiB, TiN/TiB2, TiN/Si3N4. В ИСЭ создан метод электродугового синтеза наноструктурных покрытий с использованием многокомпонентного катода, технология изготовления которого разработана в ИФПМ СО РАН. Он может состоять как из нитридсодержащих металлов, так и металлов, не образующих устойчивых нитридов. Важной особенностью метода является использование плазменного ассистирования процесса нанесения покрытия. К настоящему времени разработана технология нанесения сверхтвердых нанокомпозитных покрытий состава Ti-Cu-N с твердостью до 50 ГПа, что составляет половину от твердости алмаза и в три раза превосходит твердость известного сплава «победит». Эта технология и оборудование для ее реализации имеют перспективы широкого использования и планируются к коммерциализации через Томскую технико-внедренческую зону.

Иллюстрация Автограф одиночного импульса низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на титановой фольге. Высокая плотность энергии и малая длительность импульса позволяют модифицировать тонкий поверхностный слой без нагрева основы.

Наконец, еще об одном потенциальном применении поверхностных наноструктур. Известно, что самым слабым местом в тепловой защите зданий являются окна: их площадь не превышает 30 % от площади стен, но через них теряется до половины всего тепла, расходуемого на отопление. В мировой практике проблема снижения потерь тепла через остекление решается применением теплосберегающих стекол, называемых также, теплоотражающими, низкоэмиссионными, или спектрально-селективными. В последние годы такие стекла все шире применяются и в России. Проблема применения теплосберегающих стекол в том, что они могут использоваться только в герметичных стеклопакетах, которые, в свою очередь, необходимо устанавливать в специальные оконные блоки. И хотя стоимость теплосберегающего стекла в настоящее время составляет 200-240 руб./кв.м, стоимость замены обычного окна на окно с теплосберегающим стеклом составляет не менее 7000 руб./кв.м. Такой вариант улучшения теплоизоляции окон недоступен большинству населения и бюджетных организаций России.

Сотрудниками Института теплофизики СО РАН была предложена идея нанесения теплосберегающего покрытия на прозрачную полимерную пленку (полиэтилентерефталатную), а не на стекло. Материал теплосберегающего покрытия должен быть стойким к внешним воздействиям и сохранять свои характеристики в обычных условиях, а не в герметичном стеклопакете. Установка такой пленки между стеклами в обычном окне позволяет более чем в два раза снизить теплопотери через окно. С точки зрения энергосбережения и повышения комфортности помещения эффект будет таким же, как и при замене обычного окна с двумя стеклами на пластиковое с двухкамерным теплосберегающим стеклопакетом.

Исследования, проведенные в ИСЭ, показали, что в качестве такого покрытия может использоваться нанокристаллическая пленка допированного алюминием оксида цинка, наносимая на полимерную подложку методом несбалансированного импульсного реактивного магнетронного распыления. Полученные результаты могут служить основой для создания оборудования и технологии производства нового вида продукции — прозрачной полимерной пленки с нанокристаллическим покрытием, предназначенной для снижения потерь тепла из отапливаемых помещений через окна. Использование предлагаемой пленки позволит вдвое снизить потери тепла через остекление, что не только даст экономию тепла, но и существенно улучшит микроклимат в помещении, устраняя зону холода вблизи окна. В настоящее время в ИСЭ продолжаются исследования, направленные на совершенствование технологии и улучшение характеристик покрытия. Мы надеемся, что в ближайшие два-три года эта технология будет реализована в промышленном масштабе.

стр. 5

в оглавление

Версия для печати  
(постоянный адрес статьи) 

http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?16+403+1