Создание новых многокомпонентных пленочных материалов

при использовании метода

ионно-плазменного магнетронного распыления

Дальнейшее развитие  техники и современные требования к ее надежности в эксплуатации заставляют разработчиков (конструкторов и технологов) обращать более пристальное внимание  к выбору материалов.

Дело в том, что применяемые в настоящее время основные конструкционные материалы, созданные в 70^-х-80^-х годах, по  своим возможностям  во многом исчерпали себя, и, несомненно, не смогут в будущем обеспечить более радикального повышения надежности и улучшения эксплутационных характеристик не только вновь создаваемого, а и используемого в настоящее время оборудования, конструкций и механизмов.

Создание нового  конструкционного материала процесс дорогостоящий и растягивается во времени на десятилетия. Однако, в последнее время, специалисты-материаловеды все чаще стали прибегать к новым радикальным способам улучшения эксплутационных свойств деталей машин и механизмов и в целом всего оборудования и конструкций за счет модификации их рабочей поверхности обработкой  высокоэнергетическими пучками  и нанесением защитных и функциональных покрытий. При помощи покрытий, в частности тонкопленочных (0,1-100 мкм) можно существенным образом изменить механические, оптические, электрические, магнитные, тепловые и химические свойства исходного конструкционного материала, его реальную поверхность, получая изделия с защитными, например, антикоррозионными, износостойкими и  д.р. свойствами.

Создание новых  многокомпонентных пленочных материалов  процесс менее длительный и трудоемкий. Для этих целей существуют эффективные методы.

Широко используется в настоящее время для получения многокомпонентных пленочных материалов, в том числе, и новых, метод распыления (испарения)  из двух и более независимых разделенных источников с одновременной совместной конденсацией на подложке (поверхности изделия). Этот метод позволяет получать покрытия из многокомпонентных сплавов, т.е. практически конструировать и  создавать новые материалы, используя эффект перемешивания отдельных компонентов на атомарном и кластерном уровне в паровом потоке.

Метод независимых разделенных источников имеет ряд существенных недостатков и ограничений и, прежде всего, не обеспечивает гомогенное перемешивание в широком диапазоне концентраций и при большем наборе компонентов.

         В то же время существует потребность в более совершенном и универсальном методе, который позволил бы надежно осуществлять гомогенное перемешивание разного сорта атомов и кластеров в требуемом соотношении в широком диапазоне их концентраций и  с большим набором компонентов.

       Это позволит достаточно точно прогнозировать состав и свойства получаемых многокомпонентных пленочных материалов, их  воспроизводимость, что очень важно для решения реальных  исследовательских и технологических задач.

Для этих целей наиболее подходит метод совмещенных в единый блок источников распыления (испарения).

Такое совмещение стало возможным при использовании специального таргета (мишени), распыляемого в вакууме методом ионно-плазменной бомбардировки (высокоскоростное магнетронное распыление).

Для одновременного распыления нескольких материалов и получения из них в итоге многокомпонентного пленочного материала разработаны и предлагаются:

-Программа компьютерного моделирования топологической структуры многокомпонентного таргета, состоящего из отдельных элементов, объединенных в единый блок,  конструктивно состоящий из перфорированной матрицы в отверстия которой вставлены вкладыши. Программа позволяет достаточно точно рассчитать требуемое соотношение компонентов,  образующих материал с учетом их физико-химической природы и особенностей распыления.

-Основные типы конструкций таргетов для коаксиальных и планарных магнетронных распылительных систем и технология их изготовления их двух, трех и более компонентов.

-Методика распыления многокомпонентных составных таргетов и получение основных типов многокомпонентных материалов: металлических сплавов, псевдосплавов, химических соединений металлов с С, В, Si  по твердофазной реакции не через газ;  химических соединений  с использованием газов, N₂, O₂, H₂S.

Предлагаемый метод и его практическая реализация имеет несомненные преимущества перед методом раздельных источников.

 Прежде всего, метод по своей сути технологичен.  Распыление многокомпонентного пленочного материала идет с одной мишени при одних и тех же условиях.

Изготовление единой многокомпонентной мишени с мозаичной структурой распыляемой части более экономично и технологично. Если какие либо компоненты хрупкие, или дорогие, то не надо изготавливать из них всю мишень, как в первом случае, а только отдельные вкладыши - мозаику.

Широкое применение данного метода при создании многокомпонентных пленочных материалов сулит большой экономический выигрыш не только в области пленочных покрытий, здесь он очевиден, но и при проведении специальных металлофизических исследований.

Помимо основного технологического назначения результатов исследований они будут представлять методологический интерес в следующих областях:

         -Уточнение диаграмм состояния на предмет образования метастабильных фаз, их распада и др. для понимания возникновения аномальных скачков некоторых свойств многокомпонентных материалов.

-Моделирование образования по диаграммам состояния различного типа твердых растворов в условиях гомогенного перемешивания, когда  на этот процесс практически не влияет гравитация, природа материала и др., и изучение свойств и структуры «идеализированного состояния».

-Моделирование поведения конструкционных и делящихся материалов при критическом и закритическом насыщении их различными элементами, например, углеродом, бором, кремнием, свинцом, висмутом д.р.

-Моделирование метастабильного состояния материала (аморфизация структуры, образование метастабильных фаз, введение нерастворимых компонентов и др.) и изучение его поведения в различных средах

-Создание псевдосплавов из элементов с абсолютной нерастворимостью и аномально изменяющимися свойствами.

-Создание новых типов композиционных материалов с ультрадисперсной (нанокристалической) структурой на основе металл-углерод, металл-бор, металл-кремний, металл-сера и их  соединений с азотом, кислородом, обладающих комплексом уникальных свойств (супертвердостью, высокой жаростойкостью, коррозионной  стойкостью, низким коэффициентом трения и др.).

-Создание композитов на основе металл-углерод, металл-бор и их соединений с азотом и кислородом.

-Создание различного рода специальных защитных и функциональных покрытий, работающих в экстремальных условиях и соответствующих  современным требованиям надежной  эксплуатации.

Back Home