Технологии нанообработки_3. Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки

• Название: Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки
• Анкор: Технологии нанообработки_3.doc
• Дата: 22.02.2017
• Размер: 8.65 Mb.
• Имя файла: Технологии нанообработки_3.doc
• Тип: Документы; #2980
• страница: 13 из 27

6.3.Свойства нанопокрытий

Большинство соединений, применяемых в качестве упрочняющих покрытий, характеризуются высокими значениями микротвёрдости, но при этом являются достаточно хрупкими. Отмеченное свойство заметно снижает эффект от их применения и ограничивает область их использования. Поэтому в настоящее время особый интерес во всем мире вызывают исследования, связанные с получением нанопокрытий с размерами зерен менее 100 нм, позволяющее реализовать в одном покрытии уникальный комплекс свойств.

Нанопокрытие (пленка наноразмерной толщины на поверхности объемного материала) может рассматриваться как двухмерная структура. В трехмерной структуре внутренняя энергия может увеличиваться только благодаря увеличению энергии связи и числа связей, состава и структуры материала. Увеличение твердости в этом случае приводит к повышению хрупкости. У двухмерной поверхностной структуры при повышении энтропии (например, при закалке), как показали опытные исследования, пластичность может увеличиваться [⁶⁹].

Наноструктуры (в том числе поверхностные) имеют более высокую теплоемкость, чем обычные структуры (с зернами микронного размера). Следовательно, наноразмерные структуры соответствуют более высокому уровню внутренней энергии и энтропии системы.

Таким образом, при использовании нанопокрытий имеют место два эффекта: эффект, связанный с наноразмерной структурой покрытия, и эффект, связанный с переходом от трехмерной системы к двухмерной, для которой увеличение внутренней энергии и энтропии не повышают хрупкость.

На практике эффект от наноразмерной структуры покрытия проявляется следующим образом. Как известно, объективным критерием эффективности упрочнения является отношение твердости к модулю упругости . Исследования свойств наноструктурных пленок диборида тантала [⁷⁰], полученных высокочастотным магнетронным напылением показали, что по мере уменьшения размера зерна в пленке отношение растет (см. табл. 6 .12), т.е. эффективность упрочнения повышается.
Таблица 6.12 Механические характеристики пленок борида тантала

Размер зерен, нм	Твердость Hv, ГПа	Модуль упругости E, ГПа
10	40	242	0,173
15	36	237	0,156
20	33	231	0,147

Иллюстрацией эффекта перехода от трехмерной системы к двухмерной является резкое повышение твердости пленки при уменьшении ее толщины. Исследования зависимости микротвердости тонких пленок алюминия, меди, никеля и ниобия от их толщины [⁷¹] показали, что имеет место явление, называемое наноэффектом, когда максимум микротвердости наблюдается при толщине пленки 100…150 нм (см. рис. 6 .74), Уменьшение твердости при толщине менее 100 нм связано с нарушением цельности пленки и большим поверхностных влиянием свойств материала, на который наносится покрытие.

Рисунок 6.74 График зависимости твердости наноразмерных Al, Cu, Ni, Nb-пленок от их толщины
На механические характеристики нанопокрытий также оказывают влияние условия формирования покрытия. В Институте сильноточной электроники СО РАН были исследованы покрытия, полученные методом совмещенного с низкоэнергетическими ( эВ) ионами азота вакуумно-дугового распыления мишеней титана Ti и Ti-Si-B в среде азота давлением 0,1 МПа. В качестве подложки использовалась нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, твердые сплавы ВК-8 и ТК-15.

Измерения твердости (Ti-Si-B-N)-покрытий при различных условиях осаждения показали, что при большей величине соотношения токов катодов Ti/(Ti-Si-B) и большей температуре осаждения увеличивается значение твердости покрытия (см. табл. 6 .13). При этом толщина покрытия оставалась постоянной (20-25 нм) [⁷²].

Таблица 6.13 Зависимость твердости (Ti-Si-B-N)-покрытия от условий осаждения

№№ покрытий	Соотношение токов катодов температура осаждения	Средние значения микротвердости ГПа
1	1:1, 200	21÷24
2	3:1, 200	33÷34
3	4,5:1, 200	43÷46
4	5,6:1, 200	43÷46
5	5:1, 400÷450	50÷55

Большой интерес представляют многослойные покрытия, особенно со слоями из различных материалов. Результаты исследования микротвердости многослойных структур на основе нанопленок, нанесенных на алюминиевую подложку, показали, что, чередуя в многослойном покрытии мягкие и твердые слои, варьируя толщиной отдельного слоя и количеством слоев, можно существенно повысить твердость покрытия. Из исследованных [Error: Reference source not found] тонкопленочных покрытий наибольшей твердостью обладает композиция титан/гидрогенизированный углерод/титан (Ti/α–C:H/Ti) с толщиной слоев 30…35 нм (рис. 5 .55 Влияние размера зерна d на микротвердость металлов).



Рисунок 6.75 Влияние толщины и количества слоев на микротвердость покрытия: 1 — Al основа;
2 — Ti (120 нм); 3 — α–C:H (100 нм); 4 — Ti (120 нм)/α–C:H(100 нм); 5 — Ti(120 нм)/α–C:H(150 нм)/Ti(120 нм); 6 — Ti(35 нм)/α–C:H(30 нм)/Ti(35 нм)