Экономичный метод синтеза нанокомпозитных покрытий, свойства которых позволяют использовать их для защиты газотурбинных двигателей, а также в биомедицине, разработали ученые Уральского федерального университета и Института электрофизики УрО РАН, 4 мая сообщает пресс-служба УрФУ.

Четырехкомпонентные нанокомпозитные износостойкие покрытия TiSiCN (титан, кремний, углерод, азот), перспективные для применения в авиа- и машиностроении и в биомедицине, в настоящее время получают с помощью ряда физических и химических методов, имеющих определенные недостатки.

Новый метод синтеза, предложенный уральскими учеными, не требует высоких температур, дополнительных установок или материалов, а также позволяет получать покрытия с требуемыми характеристиками.

Метод основан на плазмохимическом разложении исходных компонентов, дающий лучшие результаты. Его описание и результаты исследований покрытий, полученных с помощью этого метода приведены в статье «Синтез нанокомпозитных покрытий TiSiCN методом испарения титана и активации кремнийорганических соединений в дуговом разряде с полым катодом», опубликованной в журнале Membranes.

Сотрудник базовой кафедры электрофизики УрФУ, научный сотрудник института электрофизики УрО РАН Андрей Меньшаков пояснил:

«В сравнении с вакуумно-дуговым методом, преимуществом является отсутствие микрокапель, ухудшающих качество покрытий. В отличие от магнетронного распыления, наш метод обеспечивает более высокие скорости осаждения, высокую плотность потока ионов, необходимую для формирования плотных и качественных покрытий. Если сравнивать с химическим методом, то преимущество состоит в использовании безопасных с точки зрения экологии и вреда здоровью, доступных и недорогих компонентов».

Разработчики метода указывают, что его главным достоинством, является возможность независимо и в широких пределах управлять практически всеми параметрами синтеза, что позволяет изменять состав и свойства покрытий, то есть дает возможность получать пленку с требуемыми для конкретного применения характеристиками.

Реализация метода довольно проста. Многокомпонентная активная среда создается с помощью газоразрядного устройства с полым катодом и активным анодом. Этот способ осаждения не требует отдельных установок и систем ионизации и фильтрации, так как поток испаряемого металла не содержит нарушающих структуру покрытия капель.

Андрей Меньшаков рассказал, что в общем случае нанокомпозитная структура такого покрытия представляет собой аморфную матрицу, в которую внедрены нанокристаллы.

Для синтеза многокомпонентных нанокомпозитных покрытий разработчики используют кремнийорганические прекурсоры, представляющие собой летучие малотоксичные жидкости, содержащие связи SiC (кремний, углерод) и SiN (кремний, азот).

Синтез нанокристаллической фазы — кристаллов TiN (титан, азот), TiC (титан, углерод) или TiCN (титан, углерод, азот), происходит при добавлении титана в газовую среду прекурсора путем его испарения электронным потоком из плазмы.

При этом создается активная парогазовая среда, состоящая из продуктов разложения кремнийорганических молекул и паров титана. Покрытие на обрабатываемой поверхности формируется из компонентов этой смеси.

Новый метод позволит повысить энергетическую эффективность существующих установок и качество получаемых пленок.

Конкретные требования к покрытиям — в случае медицинских изделий это высокая адгезия к материалу имплантата и биосовместимость, или твердость для режущего инструмента — выдвигают необходимость индивидуального подбира условий синтеза. В настоящее время ученые работают именно над задачей синтеза покрытий с требуемыми механическими и физико-химическими свойствами.