В многослойных нанопокрытиях нашли механизм, который останавливает разрушение

❋ 4.7

Международная исследовательская группа с участием профессора Центра инженерных систем и наук Сколтеха Александра Корсунского впервые в мире провела прямое измерение механических напряжений в зоне контакта между алмазным индентором и сложным наноструктурированным покрытием с разрешением менее 80 нанометров. Используя синхротронную рентгеновскую нанодифракцию на синхротроне ESRF в Гренобле, ученые показали, что многослойное покрытие из керамического ZrN с прослойками аморфного сплава ZrCu на 30% эффективнее рассеивает упругую энергию по сравнению с монолитным аналогом, предотвращая распространение трещин. Результаты дают инженерам прямые количественные критерии для проектирования защитных покрытий нового поколения.

Сколтех

# материалы

# нанопокрытия

# напряжение

# технологии

Новый наномеханический зонд состоит из наконечника индентора из монокристаллического алмаза, покрытого нанокристаллическим алмазом методом химического осаждения из газовой фазы. Зонд изображен в контакте с тонкой многослойной пленкой ZrN-ZrCu при постоянной нагрузке, в то время как область интереса (ROI) размером y = 20 мкм и z = 12 мкм сканируется рентгеновским лучом диаметром 75 нм. При шаге сканирования 80 нм на каждом этапе нагружения регистрировались 37500 двумерных дифрактограмм Дебая-Шеррера / © Communications Materials

Любой реальный контакт между твердыми телами происходит не по идеально ровной поверхности, а через множество микроскопических неровностей. В этих точках напряжения могут достигать десятков гигапаскалей, приводя к локальной деформации и катастрофическому разрушению. Особенно остро эта проблема стоит для защитных покрытий режущего инструмента, лопаток турбин и биомедицинских имплантов, где контактные нагрузки сочетаются с высокими температурами и агрессивными средами.

До сих пор ученые могли измерять напряжения либо в покрытии, либо в инденторе, но не одновременно. Традиционные методы давали лишь усредненную картину с разрешением в десятки микрон, а компьютерное моделирование требовало допущений, которые не всегда подтверждались экспериментом. Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи создали уникальный наномеханический зонд: индентор из монокристаллического алмаза покрыли слоем нанокристаллического алмаза толщиной 3,8 микрона. Это позволило одновременно регистрировать дифракционные сигналы от индентора и от покрытия. Сканируя область контакта с шагом 80 нанометров, ученые получали карты распределения напряжений с беспрецедентной детализацией. Результаты опубликованы в журнале Communications Materials (Springer-Nature).

В однослойном покрытии сжимающие напряжения под индентором достигали –13,4 ГПа, а у границы с подложкой возникали растягивающие напряжения, провоцирующие трещины. В многослойном покрытии картина принципиально иная: напряжения оставались сжимающими по всей толщине, пиковые значения снизились, а растягивающие напряжения у подложки практически исчезли. Более того, область интенсивной деформации стала шире — нагрузка распределялась по большему объему. Ключевой механизм заключается в том, что аморфные прослойки ZrCu, обладая меньшей жесткостью и способностью к пластической деформации, «экранируют» передачу напряжений между слоями ZrN. Это работает подобно тому, как мягкий органический слой между минеральными пластинами в перламутре моллюсков предотвращает распространение трещин. В результате многослойное покрытие накопило лишь 69% упругой энергии по сравнению с однослойным — остальные 30% были рассеяны через пластическую деформацию интерфейсов.

Полученные данные позволяют инженерам опираться на конкретные числовые параметры при разработке защитных покрытий следующего поколения. В режущем инструменте это позволит увеличить стойкость в два-три раза за счет подавления зарождения трещин, в лопатках газовых турбин — повысить ресурс при высокотемпературном окислении и термоциклировании, а в биомедицинских имплантатах — снизить риск износа и фреттинга. Кроме того, разработанная методика становится эталонным инструментом для валидации компьютерных моделей контактной механики, что ускорит разработку новых материалов.

«Представьте, что вы пытаетесь понять, как распределяется давление в месте контакта двух твердых тел. Раньше мы могли измерить либо то, что происходит внутри одного тела, либо внутри другого, но не одновременно, и с значительно более низким разрешением. Теперь, используя новейшие достижения в области синхротронных методов, мы убедились, что тончайшие металлические пленки в многослойном покрытии перераспределяют и рассеивают накопленную упругую энергию, работая подобно демпфирующим прослойкам. Это не просто прорыв в разрешении — мы даем инженерам способ прямого определения напряжений на уровне отдельных шероховатостей в реальном контакте, то есть такой инструментарий, о котором могли лишь мечтать Буссинеск, Герц, а также Гринвуд и Вильямсон», — прокомментировал соавтор исследования, профессор Центра инженерных систем и наук Сколтеха, руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов Александр Корсунский.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.