Специалисты в области материаловедения Тольяттинского государственного университета разработали передовую методику нанесения керамических металло-оксидных покрытий на компоненты из разных магниевых сплавов посредством новой гибридной технологии с использованием упрочняющей фазы. Данные покрытия предназначены преимущественно для активного применения в машиностроении и двигателестроении, где критически важными требованиями являются высокая прочность, огнестойкость и коррозионная устойчивость деталей. Магниевые сплавы с упорядоченной длиннопериодической фазой (LPSO), открытые лишь в начале XXI века, до настоящего времени остаются недостаточно изученными. Несмотря на это, благодаря исключительным механическим характеристикам данные материалы обладают значительным потенциалом для промышленного внедрения; на текущем этапе уже зафиксированы первые примеры их использования при производстве корпусных деталей двигателей внутреннего сгорания.
включая блок цилиндров малогабаритных ДВС, разнообразных деталей цилиндропоршневой группы, поршней ДВС и др.
– Предел прочности и пластичность таких сплавов оказался на уровне или выше конструкционной качественной стали. И это при том, что магний в 4,5 раза легче железа. То есть удельная прочность LPSO-сплавов как минимум в 4,5 раза выше, чем у стали. Это позволяет использовать магниевые LPSO-сплавы не только в изделиях, работающих в обычных условиях, например, в ноутбуках, сотовых телефонах, велосипедах, колёсных дисках автомобилей, но и в продукции, эксплуатируемой в условиях экстремальных нагрузок и агрессивной внешней среды, – поясняет ведущий научный сотрудник (НИО) «Оксидные слои, плёнки и покрытия», кандидат технических наук Антон Полунин. – Однако LPSO-фаза провоцирует коррозию, поэтому поверхность LPSO-сплавов надо защищать.
Хороший эффект по защите поверхности изделий из сплавов алюминия, магния, титана и некоторых других даёт плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО): на поверхности формируются керамические металло-оксидные слои или покрытия, которые позволяют поднять износостойкость и коррозионную стойкость в десятки раз. Немаловажно и то, что это экологически чистая технология.
Изучением и усовершенствованием технологии ПЭО в Тольяттинском госуниверситете занимаются сотрудники научно-исследовательского отдела (НИО) «Оксидные слои, плёнки и покрытия» под научным руководством профессора, доктора физико-математических наук Михаила Криштала при участии ведущего научного сотрудника Израильского политехнического института (Технион) физика-теоретика, PhD Александра Кацмана и поддержке Российского научного фонда.
– Казалось бы, вот оно решение для LPSO-сплавов, однако ПЭО на LPSO-сплавах не даёт ожидаемого результата при обычных режимах. Оксидный слой получается очень рыхлым, непрочным, и в этом тоже виновата LPSO-фаза. Резко повышая объёмные механические характеристики, она одновременно отрицательно влияет на поверхность, при этом снижая не только коррозионную стойкость, но и возможность получить качественный керамический слой путём ПЭО, – отмечает Михаил Криштал.
Положительный эффект даёт значительное увеличение частоты электрического тока при ПЭО, но и его недостаточно.
– Технически наилучший результат даёт разработанная испанскими учеными комбинированная технология, при которой после ПЭО на пористую керамическую поверхность наносят герметизирующий состав, осаждаемый из электролита. Но это приводит к увеличению времени обработки и существенному удорожанию готового изделия, – говорит Михаил Криштал.
В Тольяттинском госуниверситете на базе ПЭО разрабатываются новые гибридные плазменно-электролитические технологии, которые включают введение в электролит при ПЭО наночастиц различных оксидов. В процессе ПЭО эти частицы внедряются в формируемый оксидный слой. Примечательно, что очень небольшие объёмы добавок могут давать огромный эффект.
Именно этого и добились ученые ТГУ, добавляя наночастицы диоксида кремния (по сути, наночастицы песка) в электролит при высокочастотной ПЭО LPSO-сплавов.
– В итоге пористость керамического слоя снизилась почти в 3 раза, средняя толщина и адгезия слоя увеличились примерно на треть, а плотность тока коррозии уменьшилась примерно в 5,5 раза. Эти значения соответствуют наилучшему результату для LPSO-сплавов с двухступенчатой комбинированной технологией на базе ПЭО. При этом наша технология не дороже обычной ПЭО и даже позволяет сократить время обработки, получая требуемый результат, – резюмирует Михаил Криштал.
Таким образом, в ТГУ найдена возможность устранить недостаток поверхности LPSO-сплавов и полностью раскрыть потенциал их уникальных объёмных механических свойств в изделиях, которые смогут найти применение в том числе в авиационной и ракетно-космической отрасли. При этом скорость обработки таких изделий и её стоимость снижены, что делает эту технологию экономически эффективной.
Результаты своих исследований учёные описали в статье «Влияние внедрения наночастиц кремнезёма на защитные свойства оксидных слоев, формируемых ПЭО на сплаве Mg97Y2Zn1 с LPSO-фазой», которую опубликовал Heliyon – ежемесячный междисциплинарный рецензируемый высокорейтинговый (Q1 по SJR, Impact Factor 2023 – 4.0, индексируется Scopus и Web of Science) научный журнал, принадлежащий одному из крупнейших мировых издательств Elsevier BV.
Для любознательных:
Гибридные технологии создания металло-оксидных покрытий находятся на стыке физики конденсированного состояния, химии поверхностей и материаловедения. Сочетание нескольких методов осаждения в едином технологическом цикле позволяет получать структуры с уникальным комплексом физико-механических и функциональных свойств, недостижимых при использовании классических монотехнологий.
Ниже представлена подробная аналитическая статья, освещающая мировые тренды, достижения российской науки и ключевые сферы применения этих передовых материалов.
На стыке физики и химии: Прорыв в гибридных технологиях металло-оксидных покрытий
Введение: Почему монотехнологии больше не справляются
Современная индустрия — от микроэлектроники до тяжелого машиностроения — предъявляет экстремальные требования к свойствам поверхностей. Материал должен быть одновременно твердым и пластичным, коррозионностойким и электропроводным (или, наоборот, идеальным диэлектриком).
Традиционные методы, такие как магнетронное распыление (PVD) или химическое осаждение из газовой фазы (CVD), имеют свои фундаментальные ограничения:
- PVD обеспечивает высокую чистую адгезию и контроль толщины, но страдает от «эффекта затененения» на сложных 3D-формах.
- CVD и его разновидность ALD (атомно-слоевое осаждение) идеально покрывают поры и сложные рельефы, но имеют низкую скорость роста слоев и термические ограничения.
Гибридная технология объединяет эти процессы (например, PVD + ALD, магнетронное распыление + плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО) или лазерное наплавление + золь-гель метод). Это позволяет управлять архитектурой покрытия на атомном и наноразмерном уровнях, создавая чередующиеся металло-оксидные наноламинаты и композиты.
Мировые тренды и успехи зарубежной науки
В глобальном масштабе фокус исследований смещен в сторону создания интеллектуальных (smart) поверхностей и экстремальной миниатюризации.
| Направление / Метод | Ключевые мировые достижения | Лидеры индустрии / Научные центры |
|---|---|---|
| PVD + ALD Наноламинаты | Создание барьерных слоев против диффузии газов для гибкой электроники и OLED. Толщина оксидного слоя измеряется ангстремами, что предотвращает растрескивание при изгибе. | IMEC (Бельгия), MIT (США), Сеульский национальный университет (Корея) |
| HiPIMS + Кинетическое напыление | Высокоимпульсное магнетронное распыление в сочетании с термическим оксидированием позволило получить сверхупругие износостойкие покрытия для аэрокосмической отрасли. | Fraunhofer IST (Германия), Университет Линчёпинга (Швеция) |
| Оксиды переходных металлов (TMO) | Синтез упорядоченных пористых металло-оксидных матриц (\(TiO_{2}\), \(WO_{3}\), \(V_{2}O_{5}\)) для нейроморфных процессоров (мемристоров) и систем хранения энергии. | Токийский университет (Япония), Калифорнийский университет в Беркли (США) |
Главный мировой успех:
Зарубежным исследователям удалось коммерциализировать гибридные покрытия для зеленой энергетики. Разработаны фотоаноды на основе кремниевых или металлических подложек, защищенных ультратонкими гибридными слоями оксидов титана и алюминия. Это увеличило срок службы элементов расщепления воды (получения водорода) с нескольких часов до тысяч часов.
Российский прорыв: От фундаментальной науки к практике
Российские научные школы традиционно занимают сильные позиции в области физики плазмы, пучковых технологий и электрохимического оксидирования. В последние годы отечественные ученые совершили качественный рывок в создании гибридных комплексов.
1. Тандем ПЭО и Магнетронного распыления
Один из ярких успехов российских материаловедов (ИФПМ СО РАН, ТПУ, НИТУ «МИСИС») — сочетание плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО) и последующего магнетронного напыления.
- Как это работает: На титановом или алюминиевом сплаве методом ПЭО формируется пористый, прочно связанный с основой оксидный слой. Затем в эти поры методом магнетронного распыления «вбиваются» наночастицы металлов (серебро, медь, тантал) или твердые нитриды.
- Результат: Получаются покрытия с экстремальной износостойкостью и биоактивными свойствами.
2. Ионно-пучковая ассистенция и магнетронный синтез
В Институте электрофизики УрО РАН и Институте сильноточной электроники (ИСЭ СО РАН) активно развиваются гибридные методы, где магнетронное осаждение металлов совмещено с одновременным облучением поверхности мощными ионными пучками в кислородной среде. Это позволяет синтезировать фазы сложнейших многокомпонентных оксидов (высокоэнтропийных оксидов) при относительно низких температурах, что критически важно для сохранения свойств подложки.
3. Успехи в области «Умного остекления» и оптики
Российские предприятия и институты (например, холдинг «Швабе», Университет ИТМО) успешно внедрили гибридные технологии для создания энергосберегающих и антибликовых покрытий. Многослойные системы из чередующихся слоев серебра и оксида цинка (\(ZnO/Ag/ZnO\)) наносятся на архитектурные стекла в едином вакуумном цикле, сочетая термическое испарение и магнетронную бомбардировку.
Варианты и сферы применения гибридных металло-оксидных покрытий
Благодаря возможности «настраивать» свойства на атомарном уровне, гибридные покрытия находят применение в самых высокотехнологичных отраслях.ии
1. Биомедицина: Имплантаты нового поколения
Классический титановый имплантат приживается долго. Гибридная технология решает эту проблему:
- На титане создается биосовместимый пористый оксид, имитирующий структуру кости.
- Внутрь пор осаждаются антибактериальные агенты (наносеребро) и оксид кальция/фосфора.
- Эффект: Сроки остеоинтеграции (приживаемости) сокращаются в 2–3 раза, а риск отторжения из-за инфекций сводится практически к нулю.
2. Микро- и наноэлектроника: Память будущего
В эпоху заката кремниевой технологии по закону Мура, гибридные металло-оксидные слои стали основой для резистивной памяти (ReRAM) и нейроморфных чипов. Чередование ультратонких слоев металлов (например, гафния, тантала) и их оксидов позволяет создавать ячейки памяти, способные имитировать работу синапсов человеческого мозга за счет контролируемого роста и разрушения проводящих металлических нитей (филаментов) внутри оксидной матрицы.
3. Энергетика и авиастроение: Защита в экстремальных условиях
Лопатки газотурбинных двигателей работают при температурах выше \(1000^{\circ }\text{C}\) в агрессивной газовой среде. Гибридные термобарьерные покрытия (TBC) состоят из металлического подслоя (MCrAlY, где M — Ni или Co), обеспечивающего адгезию и защиту от окисления, и внешнего пористого керамического слоя (оксид циркония, стабилизированный иттрием — YSZ). Гибридный подход (сочетание плазменного напыления и лазерной обработки) предотвращает отслаивание покрытия при резких теплосменах.
Заключение и взгляд в будущее
Гибридные технологии создания металло-оксидных покрытий эволюционировали от лабораторных экспериментов до базиса четвертой промышленной революции. Мировая наука сегодня стремится к полной автоматизации процессов синтеза с использованием искусственного интеллекта, который рассчитывает оптимальные режимы PVD/CVD/ALD для получения заданных свойств.
Россия обладает мощным фундаментальным заделом и собственным парком разрабатываемого вакуумного и плазменного оборудования. Главная задача на ближайшие годы — ускоренный трансфер разработанных гибридных технологий из академических институтов в реальный сектор производства для обеспечения технологического суверенитета в микроэлектронике, станкостроении и аэрокосмическом комплексе.
Информация предоставлена пресс-службой Тольяттинского государственного университета.
Источник: https://scientificrussia.ru/
Автор: Наталья Сафронова
