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: 14 из 27

7.Нанотехнологии поверхностной модификации

7.1.Поверхностное наноструктурирование

Технологии поверхностного наноструктурирования, т.е. создание в поверхностном слое компактированного материала структур, имеющих характерный масштаб менее
100 нм, развиваются в последние несколько лет особенно быстро. Разнообразие методов, используемый для создания поверхностных наноструктур, также быстро расширяется.

Объемное наноструктурирование материалов, т.е. создание наноструктурных компактов, — технологически сложный процесс, сопряженный с большими производственными затратами. Поэтому особую привлекательность получает развитие технологий поверхностного наноструктурирования, реализация которых существенно проще и требует меньших затрат. При этом эксплуатационные свойства изделий с поверхностным наноструктурированием во многих случаях мало отличаются от свойств наноструктурированных компактов. К числу таких случаев относятся упрочнение и антифрикционная обработка трущихся поверхностей, повышение коррозионной стойкости и др.

Не решены также проблемы создания наноструктурных состояний в изделиях больших размеров или деталях сложной геометрии, наноструктурные материалы не могут эффективно работать при высоких температурах, их невозможно соединять методами сварки или пайки без значительного снижения механических свойств.

В Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) развивается новое научное направление — физическая мезомеханика материалов. Исследования, проводимые в этом направлении, показали, что значительное повышение служебных свойств конструкционных материалов (усталостной прочности, жаропрочности, жаростойкости, износостойкости) может быть достигнуто путем формирования наноструктурных состояний в поверхностном слое конструкционных и инструментальных материалов. Деформируемое твердое тело является многоуровневой, иерархически самоорганизующейся системой, в которой поверхностный слой является важной функциональной подсистемой. Если его наноструктурировать, то пластическая деформация может быть локализована в тонком поверхностном слое. На границе раздела ввиду различия механических, физико-химических, термических и других характеристик поверхностного слоя и подложки возникают квазипериодические осциллирующие напряжения с периодом осцилляции, равным размеру нанозерен. В результате формируется напряженно-деформированное состояние в виде «шахматной доски» с растягивающими и сжимающими напряжениями. Конкретные значения напряжений и деформаций и характер их распределения зависят от толщины поверхностного слоя и отличия их свойств от свойств подложки.

При приложении внешней циклической нагрузки пластическая деформация будет распространяться только в наноструктурированном поверхностном слое. А потоки дефектов растекаются по клеточкам наноструктуры с растягивающими напряжениями, не создавая опасной локализации пластической деформации и не проникая внутрь кристалла. Это существенно повышает усталостную прочность материала.

Существующие в настоящее время методы поверхностного наноструктурирования можно условно разделить на три группы: поверхностная нанозакалка (ПНЗ), поверхностное периодическое наноструктурирование (нано-ППС) и поверхностное деформационное наноструктурирование (ПДН).

Поверхностная нанозакалка — методы, при которых с помощью быстрого охлаждения и последующего отжига образовавшейся аморфной структуры в поверхностном слое формируется неупорядоченная наноструктура.

Известно, что при высоких скоростях охлаждения расплава (порядка 10⁶ K/с) образование и рост новых центров кристаллизации значительно замедляется, а при достижении некоторого критического значения и вовсе прекращается. При этом кристаллическая структура не образуется. В то же время, если скорость охлаждения не превышает критического значения, материал будет иметь наноструктурное состояние. В ряде случаев можно использовать контролируемый переход материала из аморфной фазы в кристаллическую для получения необходимых свойств (в частности повышения износостойкости). При этом вначале путем закалки поверхностный слой материала переводится в аморфное состояние, а затем осуществляется отжиг, в результате которого зерна материала растут, и поверхностный слой материала переходит из аморфного в наноструктурное состояние.

Нагрев материала для нанозакалки может осуществляться с помощью высокочастотного лазерного облучения, плазменной обработки, высокочастотного индукционного воздействия, облучения пучками электронов.

В Институте сильноточной электроники СО РАН под руководством академика Г. Месяца работы по созданию электронно-ионно-плазменных технологий ведутся в течение двух десятков лет. Один из ярких примеров практического использования разработок ИСЭ СО РАН — технология наноструктурирования поверхности металлов и сплавов низкоэнергетическими импульсными электронными пучками [⁷³].

Принцип электронно-пучковой модификации поверхности достаточно прост. Воздействие сильноточного импульсного электронного пучка приводит к импульсному нагреву, расплавлению и сверхбыстрой рекристаллизации тонкого поверхностного слоя металлического изделия вследствие того, что само изделие остается практически холодным. Модифицированный таким образом поверхностный слой приобретает нанокристаллическую структуру, обладающую уникальными свойствами: он имеет меньшую шероховатость поверхности, что позволяет использовать электронно-пучковую обработку вместо механической полировки изделий. Слой с нанокристаллическим состоянием многофазной структуры защищает поверхность от коррозии. Обработка режущего инструмента на импульсной электронно-лучевой установке позволяет получить материал с высокими прочностными свойствами, высокой стойкостью к ударным нагрузкам и термоциклированию. Разработанная технология позволяет модифицировать поверхность инструмента, изготовленного даже из такого тугоплавкого материала, как карбид вольфрама, при этом срок службы инструмента повышается вдвое.

Поверхностное периодическое наноструктурирование (нано-ППС) — процесс создания резонансных и нерезонансных поверхностных периодических наноструктур под действием нано- или фемптосекундного лазерного излучения.

В последние годы разработана технология наноструктурирования поверхности металла под действием фемтосекундных (1 фс =10^–15с) импульсов поляризованного излучения.

В частности, экспериментальные исследования показали [⁷⁴], что под действием серии импульсов лазерного излучения с нм и фс происходит микро- и наноструктурирования поверхности вольфрама. Образующиеся регулярные резонансные периодические структуры имеют два характерных пространственных масштаба: 500 нм (обусловлен интерференцией падающего излучения с поверхностными плазмонами) и 30 нм (см. рис. 7 .76). Масштаб 500 нм характерен для центральной области поверхности, масштаб 30 нм — для периферийных областей.


Рисунок 7.76 Характерные центральная (слева) и периферийная (справа) области поверхности
вольфрама, облученные фемтосекундными импульсами с
Экспериментальный график (рис. 7 .77) построен исходя из данных по зависимости пороговой величины числа импульсов N*, необходимых для формирования периодических поверхностных структур (ППС), от Q. Здесь N* — число импульсов, принимаемое за начало формирования микроструктур, позволяющее при калориметрических измерениях обнаружить анизотропию поглощательной способности — разницу в поглощении р- и s-поляризованного излучения. Величина 1/N* характеризует скорость формирования ППС. Из рис. 7 .77 следует, что, начиная с Дж/см² и вплоть до Дж/см² наблюдается сверхлинейное увеличение скорости формирования резонансных микроструктур, а при больших плотностях энергии — быстрый спад.


Рисунок 7.77 Зависимость скорости нарастания периодических резонансных микроструктур 1/N* на поверхности вольфрама от плотности энергии воздействующего излучения Q
В настоящее время большой практический интерес представляет разработка физических основ новых методов наноструктурирования поверхности ряда высокотехнологичных материалов, т.е. создания одномерных и двумерных рельефов с характерными периодами менее 100 нм.

Решение данной задачи может быть реализована на основе использования лазерно-индуцированной неустойчивости поверхности, возникающей под воздействием наносекундного излучения в вакуумном ультрафиолете (ВУФ). В частности, может быть осуществлено прямое лазерное наноструктурирование поверхности с помощью F₂-лазера с длиной волны 157 нм.

При прямом лазерном наноструктурировании модификация поверхностного профиля происходит наиболее просто — одним лазерным лучом, а не двумя (сведенными для создания интерференционной картины), и без использования для записи структур в дополнение к лазерному лучу иглы атомно-силового или туннельного микроскопа, как это было в ряде первых работ по наноструктурированию. Исследования показали, что существует два типа поверхностной неустойчивости — «резонансная» и «нерезонансная». Для «нерезонансного» типа неустойчивости можно ожидать развития поверхностных рельефов с нанопериодами для таких процессов как лазерно-индуцированное испарение и осаждение в отсутствие расплава, если использовать материалы, отличающиеся низкой температуропроводностью (10^–2–10^–3 см²/с) и высоким коэффициентом поглощения (порядка 10⁶ см^–1) на данной длине волны 157 нм. К таким материалам относятся графит, некоторые полимеры и керамики.

Поверхностное деформационное наноструктурирование (ПДН). ПДН —использование местной пластической деформации с наноразмерной величиной и периодичностью, создаваемой в верхнем слое детали вследствие определенного контактного взаимодействия твердого и гладкого инструмента (в форме шара, диска, ролика или другого) с обрабатываемой поверхностью. К методам ПДН, в частности, следует отнести упрочняющее индентирование.