Лабораторная работа № 14 Изучение наноструктурных покрытий

Цель работы: изучить способы получения, нанесения и свойства наноструктурных покрытий.

К объектам нанотехнологии относятся материалы с размерами зерен от 1 до 100 нм. Синтез наноструктур на поверхности твердофазных тел (матриц) обычно осуществляют следующими методами:

  • —молекулярно-лучевой эпитаксией;
  • —химическим или физическим осаждением из газовой фазы;
  • —технологией пленок Ленгмюра-Блоджетт;
  • —молекулярным наслаиванием.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (М 13) обеспечивает выращивание сверхтонких пленок осаждением молекулярного или атомного пучка, испаряемого в глубоком вакууме вещества при его соударении с поверхностью подложки, нагретой до требуемой температуры. Толщина образуемой пленки при выбранной температуре и концентрации испаряемого вещества определяется временем пропускания реагента. Для прекращения процесса выращивания пленки на пути пучка испаряемого материала устанавливают механическую заслонку. Методом МЛЭ были синтезированы структуры из монослоев арсенида галлия и алюминия для изделий электронной промышленности.

Тонкие пленки могут быть получены на основе CVD- и PVD-процессов (химического парофазного осаждения или физического парофазного осаждения), когда после термического или ионного испарения происходит осаждение вещества на подложку. При осаждении компонентов плазмы толщина пленки и размеры сос тавляющих ее нанокластеров регулируются изменен нем давления газа и параметров разряда. Так, широко известные и необходимые в практике пленки нитрида и карбида титана получаются путем ионоплазменного осаждения, что приводит к формированию нанокристаллической структуры пленок. Магнетронное распыление позволяет снизить температуру подложки на несколько сотен градусов.

Преимуществом технологии магнетронного распыления является незначительный нагрев подложки до 50... 250°С. Это позво.хяет осаждать покрытия практически на любые материалы. Кроме того, данная технология позволяет наносить твердые и сверхтвердые наноструктурные покрытия с различным уровнем упругопластических характеристик. Твердость покрытия системы Ti—Si—В—N при магнетронном распылении возрастает с 20 до 40 ГПа.

Пленки Ленгмюра—Блоджетт формируются с помощью ПАВ на поверхности жидкости, обычно воды. В слой ПАВ могут вводиться нанокластеры, молекулы и комплексы металлов, после чего происходит их перенос на твердую подложку. Данный метод позволяет получать сверхрешетки и нанослои молекул и нанокластеров с заданным порядком чередования слоев.

Метод молекулярного наслаивания состоит в организации нанопленки методами химической сборки слоев вещества путем пространственного и временного разделения элементарных актов хемосорбции на поверхности подложки, например 81О2плп А12О3.

Азотирование и гидрирование, а также обработка атомами бора, титана поверхности твердых тел давно служит методом создания прочных тонких пленок на поверхности металлов, например железа, что находит многочисленное применение в практике.

Первыми покрытиями, освоенными в промышленных масштабах, были карбид п нитрид титана. К середине 1980-х гг. появились покрытия на основе Ti(C, N), к началу 1990-х гг. — углеродные пленки, а к середине 1990-х гг. — алмазные и многослойные покрытия. Многокомпонентные наноструктурные покрытия обладают высокими физико-механическими свойствами.

Самосмазывающпеся покрытия нашли широкое применение в узлах трения различных космических аппаратов. Однако низкая стойкость к окислению на воздухе ограничивает применение таких материалов, как MoS2, MoSe2, для режущего и обрабатывающего инструмента. Для повышения коррозионной стойкости используют осаждение твердых многофазных покрытой с низким коэффициентом трения на основе днборида титана TiB2 и дисульфида молибдена MoS2. Такне покрытия имеют твердость 20 ГПа и коэффициент трения 0,05. Чаще других полимеров для износостойких покрытий используют полиуретаны, пентапласт, политетрафторэтилен, полиамиды, эпоксидные композиции. Хороню противостоят абразивному износу, например, трубы, покрытые изнутри полиуретаном.

Покрытия на основе ненаполненных полиуретановых эластомеров по стойкости к абразивной эрозии превосходят ряд марок коррозионностойких сталей. Одним из перспективных износостойких материалов является поливинилденфторид (ПВДФ). Он применяется как в качестве покрытой и футеровок элементов насосных агрегатов, так и для изготовления насосов для перекачивания агрессивных сред.

Одним из рациональных способов повышения износостойкости покрытий является модифицирование полимерных композиций неорганическими и минеральными наполнителями, например дисульфидом молибдена, тальком, аморфным бором, корундом, оксидом цинка, карбидом кремния и др.

Снижению износа покрытий способствует наполнение полимерных композиций стекловолокном, графитом, цементом, маршаллитом, повышающим прочность, теплостойкость и другие характеристики полимеров.

11ерспектпвно использование полимерного износостойкого покрытия на основе эпоксидной смолы и шламов — отходов предприятий черной металлургии с содержанием общего железа более 60%.

Наносгруктурные покрытия обладают комплексом уникальных характеристик: высокой объемной долей границ раздела отдельных зерен, отсутствием внутризеренных дислокаций, присутствием межкристаллитных аморфных прослоек.

Термическое напыление наноструктурных покрытий представляет собой перспективный подход, позволяющий использовать необычные механические и физические свойства наноструктурных материалов (прочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость).

Наноразмерные кристаллические зерна не только обладают высокой термической стабильностью, но и эффективно тормозят движение дислокаций, что придает покрытиям высокую ударную вязкость и сверхвысокую прочность. Кроме т ого, важным преимуществом покрытий с наноразмерной зернистой структурой является уменьшение остаточных напряжений, что позво.хяет создать значительно более толстые покрытия (в отдельных случаях их толщина в четыре раза больше, чем у покрытий из обычных материалов). Термическое напыление при использовании высокоскоростных кислородсодержащих струй позволяет получать разнообразные наноструктурные покрытия (никель, суперсплавы Ni и коррозпонностойкой стали; Cr3C2/NiCr; WC/Co), которые обладают значительно большей (примерно на 60%) мпкротвердостъю, чем покрытия из обычных материалов.

Потенциальные применения рассмотренных методов включают в себя широкий спектр технологий — от термозащитных покрытий лопаток газовых турбин до износостойких деталей вращения.

Износостойкие покрытия, упрочненные наноразмернымп фазами, имеют следующие достоинства:

  • • в 20 раз меньший износ контртела по сравнению с покрытиями, упрочненными микроразмерными фазами;
  • • минимальный износ материала покрытия (при расстояниях между упрочняющими фазами покрытий меньшими, чем размер изнашивающих покрытие частиц);
  • • коэффициент трения керметных покрытий с наноразмер-ными фазами WC на 20% меньше, чем у покрытий, упрочненных микроразмерными фазами WC.

Наноструктурные покрытия широко используются в машиностроении. Благодаря высокой твердости и износостойкости в сочетании с теплостойкостью их применяют для режущих инструментов и деталей узлов трения.

По химическом}7 составу наноструктурироваииые покрытия могут быть металлическими, керамическими, полимерными или ме-таллополилжрнъглш, металлокерамикополимерными.

По функциональным характеристикам различают износостойкие, антифрикционные, коррозионностойкие, жаростойкие покрытия.

Износостойкие покрытия

Для сопротивления абразивном}7 и адгезионному изнашиванию покрытия должны обладать высокой твердостью (Н). Кроме того, они должны иметь низкий модуль упругости (Е) и высокое упругое восстановление (Ж), что особенно важно в условиях ударных абразивных воздействий.

Широкое распространение получили покрытия нитрида титана TiN. Наноструктурные покрытия Ti—Si—N имеют высокую твердость (ЗСН45 ГПа) и достаточно низкий модуль упругости (2004-250 ГПа). Механические свойства их зависят’ от содержания кремния и при 5М0 ат.% Si достигают максимальных значений. Покрытия Ti—Si—N характеризуются высоким сопротивлением абразивному износу.

Наноструктурные покрытия Ti—В—N характеризуются высокой твердостью (ЗСН-55 ГПа), устойчивостью к ударным воздействиям и абразивному износу. Сверхвысокую твердость (примерно 70 ГПа) имеют покрытия состава Ti—Si—B-N. Хорошие результаты это покрытие показало при испытаниях режущего инструмента.

Антифрикционные покрытия

Для деталей космических аппаратов используют наноструктурные покрытия типа «хамелеон». В процессе трения химический состав трибологических слоев на поверхности покрытий изменяется в зависимости от состава и температуры окружающей среды, поэтому покрытия и получили такое название. Твердые фазы WC, TiC, Al203 обеспечивают высокую износостойкость, а смазывающие фазы (С, WS2, BN и др.) снижают коэффициент трения в контактной паре.

Коррозионностойкие и жаростойкие покрытия

Коррозионная стойкость покрытий определяется их химическим составом, структурой и в меньшей степени зависит от размеров кристаллитов.

Покрытия Ti-Cr-B-N характеризуются более высокими положительными значениями потенциала свободной коррозии и скоростью коррозии, в 4 раза меньшей, чем в покрытиях Ti-B-N. При увеличении содержания хрома в покрытиях Ti-Cr-B-N коррозионная стойкость увеличивается. Перспективным коррозионностойким материалом является диборид хрома. Покрытия на основе СгВ2 обладают высоким сопротивлением износу в условиях воздействия коррозионных сред.

Термическая стабильность и жаростойкость определяют долговечность покрытий, работающих при высоких температурах. В отличие от микрокристаллических покрытий твердость наноструктурных не снижается вплоть до 1000°С. При этом в диапазоне температур от 20 до 1000°С покрытия имеют стабильную структуру со средним размером кристаллитов 2^5 нм.

Твердость покрытий Ti-B-N и Ti-Cr-B-N при нафеве до 1000°С сохраняется на уровне 25-^30 ГПа. Жаростойкость покрытий возрастает при введении в их состав элементов, образующих на поверхности защитные оксидные слои (Al, Сг, Si).

Композитные наноструктурные полимерные покрытия

Твердофазный механохимическпй метод позволяет получать новые материалы — металл-фторполимерные и металл-керамика-фторполимерные композиты, обладающие высокой электропроводностью, устойчивостью к электроэрозии, низким коэффициентом трения и устойчивостью к механическому истирающему воздействию. Например, в троллейбусных токосъемниках используются вставки с медь-полимерным покрытием.

Эффективным способом повышения физико-механических характеристик покрытий на основе сверхвъгсокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) является использование в качестве наполнителя ультрадисперсных порошков А12О3 и ZrO2, полученных методом плазмохимического синтеза, а также углеродное нановолокно. Модифицирование СВМПЭ улырадисперсными порошками оксидов алюминия и циркония, прошедших предварительную обработку методами порошковой металлургии, обеспечивает повышение в несколько раз адгезионной прочности, износостойкости, исключает термоусадку.

Небольшие добавки (0,25...0,5 мае.%) нанодисперсных порошков металлов в комбинированный наполнитель для шинных резни па основе каучуков общего назначения улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства: условную прочность, сопротивление раздиру и прочность связи резины с металлокордом.

Последовательность выполнения работы

  • 7. Изучить теоретическую часть и дать ответы на контрольные вопросы 1—8.
  • 2. По заданию преподавателя изучить структуру материала с использованием наночастиц и дать ей характеристику.

Контрольные вопросы

  • 1. Назовите основные способы получения наноструктур.
  • 2. Какие покрытия относят к наноструктурным?
  • 3. Что представляют собой метод молекулярно-лучевой эпитаксии?
  • 4. Что представляют собой пленки Ленгмюра — Блоджетт?
  • 5. Достоинства износостойких покрытий, упрочненных наноразмерными фазами?
  • 6. Какой химический состав могут иметь наноструктуриро-ванные покрытия?
  • 7. Какие покрытия используют в качестве наноструктурных износостойких?
  • 8. Какое вещество чаще всего используют в качестве смазывающей фазы в антифрикционных наноструктурных покрытиях?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >