«Наука в Сибири»
№ 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.
 |
| 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.
 |
 |
| 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
 |
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
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