Погребняк А.Д., Лозован А.А., Кирик Г.В., Щитов Н.Н., Стадник А.Д., Братушка С.Н. Структура и свойства нанокомпозитных, гибридных и полимерных покрытий Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Создание новых методов обработки материалов концентрированными потоками энергии (ионов, плазмы и электронов) на сегодняшний день является одним из наиболее перспективных путей развития современных технологий и материаловедения. Нанесение тонких нанокомпозитных пленок, покрытий ионно-плазменными методами, образование оксидных покрытий с помощью электролитно-плазменной обработки, получение алмазоподобных пленок, а также комбинированные методы обработки – дуплексные, триплексные, гибридные и многие другие нашли широкое применение в 21 столетии. Хорошо известно, что на реализацию данного направления выделено финансирование в сотни миллиардов долларов в ведущих странах мира – США, Японии, Китае, странах ЕЭС и России. Прогнозируется получение многофункциональных, в частности нанокомпозитных или нанокристаллических материалов – многокомпонентных по составу и упорядоченных по структуре. Они должны обладать высокими эксплуатационными свойствами, которые целенаправленно могут изменяться путем изменения параметров их состава и структуры. К сожалению, полное теоретическое обоснование подобного параметрического управления свойствами на сегодняшний день отсутствует.

Научный подход к проблеме создания материалов с заданными свойствами предусматривает создание такой теории и совершенствование технологии в соответствии с ее требованиями и с учетом ее предсказаний. Задача данной книги состоит в том, чтобы на определенных примерах показать современное состояние и некоторые пути дальнейшего развития ионно-плазменной обработки материалов и нанесения различных покрытий, а также перспективу дальнейшего использования описанных технологий в различных отраслях производства. Кроме того, в ней представлен один из вариантов создания упомянутой выше теории, основанный на применении теории оптимального управления при ее обобщении на многомерный случай.

В главе 1 рассмотрены примеры упорядоченных структур, как естественных, т.е. самопроизвольно возникающих в процессе изготовления, хранения и эксплуатации, так и искусственно созданных для улучшения функциональных характеристик материалов. Показаны их преимущества по сравнению с однородными материалами, дано физическое объяснение этих преимуществ, состоящее в том, что данные структуры являются экстремалями неких вариационных задач. В частности, квазипериодические структуры, образующиеся при спинодальном распаде, отвечают условным минимумам функционала свободной энергии. Проведенное рассмотрение естественных и искусственных упорядоченных покрытий и структур позволило сделать выводы об их оптимальности применительно к различным функциональным назначениям.

В главе 2 сформулирована обратная задача разработки покрытий с применением теории оптимального управления. Ее суть состоит в расчете оптимального закона изменения управляющего параметра, при котором критерий качества, априори заданный разработчиком, достигает экстремума. Приведены решения обратной резонансной задачи – о гашении или выделении определенной частоты колебаний, которые позволяют получить новые выводы по оптимизации свойств покрытий. Эти выводы состоят в том, что оптимальное покрытие, подобно любому композиционному материалу (КМ), должно представлять собой упорядоченную структуру из элементов, резко отличающихся по величине управляющего параметра. В этой связи обсуждаются различные модели, объясняющие возрастание твердости периодических сверхрешеток по сравнению с твердостью составляющих их слоев. В общем виде описана постановка обратных задач на классе решений контактных задач теории упругости – теоретической базы для разработки структуры твердых покрытий. В качестве альтернативы численному решению обратной задачи предложен способ расчетно-экспериментального определения оптимальных параметров структуры, также основанный на результатах теории оптимального управления. Приведены доказательства возможности применения данного способа на примерах резонансной задачи о гашении колебаний и разработке структуры твердой сверхрешетки TiN/VN.

В главе 3 описываются результаты по получению и исследованию свойств твердых и супертвердых нанокомпозитных покрытий, нанесенных с помощью распыления магнетроном или ионно-ассистируемым осаждением тонких покрытий, имеющих высокую термическую стабильность. Рассмотрены физические свойства и стойкость к высокотемпературному оксидированию нанокомпозитных покрытий Si₃N₄/MoN_x. Анализируется получение и свойства керамических пленок (типа Zr-Cu-O, W-Si-N) и показана взаимосвязь между механическими свойствами пленок и внутренними напряжениями в них.

Представлена классификация нанокомпозитов по твердости и вязкости. Рассмотрена структура (методом ТЭМ-анализа – анализа при помощи темнопольной электронной микроскопии) и некоторые свойства супертвердых нанокомпозитных покрытий (nMeN/alpha-фаза, нанокристаллические нитриды сплавов Ti, Zr, V, W, металл Cu, Ni), показана взаимосвязь внутренних напряжений с твердостью.

В главе 4 проведен анализ процессов электрохимической обработки, которую можно классифицировать под общим названием "плазменный электролиз". Приводятся примеры использования электролитно-плазменной обработки для упрочнения деталей, усиления процессов массопереноса элементов и легирования поверхностного слоя. Представлены материалы статей по электролитно-плазменному оксидированию (Al₂O₃, TiO₂ и др.) на сталях и изделиях из них. Необходимо подчеркнуть высокий КПД данной технологии, доходящий до 75–85%. Важным отличием данной технологии является большая глубина упрочнения и закалки сталей и чугунов (до 10 мм и более) и высокая производительность, что делает эту технологию одной из самых перспективных в настоящее время.

Глава 5 посвящена результатам последних исследований в области получения, исследования и применения гибридных покрытий на основе Al₂O₃/Cr/TiN и Al₂O₃/TiN, нанесенных на различные стали. Показано, что дополнительная обработка сильноточным электронным пучком (СЭП) таких покрытий приводит к изменению механических и коррозионных свойств покрытий. Происходит усиление процессов массопереноса и перераспределение элементов, составляющих покрытие в результате обработки СЭП. Анализируется структура и свойства таких гибридных защитных покрытий.

В главе 6 показано, что задача создания полимерных композиционных материалов с заданными свойствами может быть решена несколькими путями, в том числе с применением термомагнитной обработки, использованием наноразмерных наполнителей, формированием специальных структур алмазоподобных и металлических покрытий. При этом магнитное поле может выступать не только в роли инструмента исследования, но и эффективного средства воздействия на полимерные композиционные и нанокомпозиционные материалы.

Материалы данной книги были использованы для чтения лекций и проведения практических занятий в РГТУ "МАТИ" им.К.Э.Циолковского, Белорусском государственном университете, Сумском национальном аграрном университете, Восточно-Казахстанском государственном техническим университете, а также Сумском государственном педагогическом университете им.А.С.Макаренко.

Авторы признательны сотрудникам Сумского института модификации поверхности В.С.Кшнякину, Ю.А.Кравченко, Ш.М.Рузимову, О.П.Кульменьтьевой, М.В.Ильяшенко и др., а также prof. J.Musil (Chech. Rep.), dr. Timothy Renk (USA), prof. P.Misaelides (Greece), prof. A.Matthews and dr. A.Yerohin (England), prof. Zhao W. (China) и многим другим.

Об авторах

Профессор кафедры физической и наноэлектроники Сумского государственного университета, директор Сумского института модификации поверхности. Специалист в области модификации материалов пучками заряженных частиц и потоков плазмы, создания и исследования многокомпонентных наноструктурных покрытий. Автор 165 научных работ, в том числе 5 книг; имеет 65 авторских свидетельств и патентов разных стран.

Александр Александрович ЛОЗОВАН

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой порошковой металлургии, композиционных материалов и покрытий "МАТИ"-РГТУ им.К.Э.Циолковского. Специалист в области ионно-плазменного модифицирования поверхности и нанесения покрытий. Автор и соавтор более 120 научных работ, в том числе 4 книг; имеет несколько авторских свидетельств.

Григорий Васильевич КИРИК

Кандидат физико-математических наук. Область научных интересов: физика твердого тела, новые энергосберегающие машины и оборудование для горнорудной и других отраслей. Президент концерна "Укрросметалл" (Украина). Автор более 80 публикаций, в том числе 2 монографий, а также около 30 изобретений.

Николай Николаевич ЩИТОВ

Кандидат технических наук, заместитель начальника отдела ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова". Специалист в области физики твердого тела, теории оптимального управления, физики и технологии источников заряженных частиц. Автор и соавтор более 50 научных работ.

Александр Дмитриевич СТАДНИК

Кандидат физико-математических наук, профессор кафедры экспериментальной и теоретической физики Сумского государственного педагогического университета. Область научных интересов: получение композиционных материалов с заданными свойствами; процессы кластеризации экономики. Автор более 85 публикаций и 30 изобретений.

Сергей Николаевич БРАТУШКА

Кандидат физико-математических наук, доцент. Область научных интересов: ионные, электронные и ионно-плазменные технологии модификации поверхности, получение комбинированных и нанокомпозитных покрытий. Автор и соавтор более 30 научных работ.