КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-79-10059

НазваниеРазработка метода получения нанокомпозитных покрытий разложением кремнийорганического прекурсора в сильноточном разряде с испаряемым анодом

РуководительМеньшаков Андрей Игоревич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2023 - 06.2025 

Конкурс Конкурс 2023 года на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (50).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-302 - Корпускулярные, плазменные и лучевые источники для исследований и практики

Ключевые словаНанокомпозитные покрытия, анодное испарение, кремнийорганические соединения, химическое осаждение из газовой фазы, дуговой разряд низкого давления

Код ГРНТИ29.27.51

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Керамика на основе полимеров (Polymer derived ceramics, PDC) - это класс материалов, синтезированных путем разложения полимерных прекурсоров, обладающих превосходными термомеханическими свойствами, такими как высокая термостойкость, стойкость к окислению, многофункциональность при высоких температурах. В настоящее время разработаны различные виды функциональных покрытий на основе PDC. Одними из перспективных покрытий такого типа являются износостойкие SiAlCN-покрытия, обладающие аномальной стойкостью к окислению при температурах до 1400 °C и высокой термостойкостью, позволяющей им сохранять высокую твёрдость (свыше 40 ГПа) при температурах до 800 °C, благодаря чему эти покрытия идеально подходят для защиты компонентов, подвергающихся износу в условиях высокотемпературного окисления. Еще одним перспективным PDC-соединением является SiAlCO, обладающее высокой стойкостью к окислению и коррозии и превосходными пьезоэлектрическими свойствами. Благодаря высокому пьезосопротивлению в сочетании с относительно низкой стоимостью такой материал является перспективным для применения в высокотемпературных датчиках в условиях окисления. Актуальным направлением исследований является расширение возможностей существующих методов получения таких покрытий, повышение их эффективности, производительности и безопасности. Современные методы синтеза покрытий должны удовлетворять достаточно высоким требованиям по безопасности, экологичности и эффективности, а также иметь возможность изменения различных условий синтеза для получения покрытий с заданными свойствами. Используемые в настоящее время способы получения тонких SiAlCN и SiAlCO пленок либо не удовлетворяют требованиям по безопасности и экологичности, как, например, при использовании ядовитых и взрывоопасных газовых смесей при химическом осаждении, либо сложны и не позволяют управлять многими условиями, влияющими на свойства получаемых покрытий. Данный проект посвящен исследованию условий формирования SiAlCN и SiAlCO покрытий методом реактивного испарения алюминия и разложения кремнийорганических прекурсоров (КОС) в дуговом разряде с самонакаливаемым полым катодом. Применяемый подход разработан и успешно апробирован в Проекте 2020 для получения твердых износостойких TiSiCN покрытий реактивным испарением титана в среде гексаметилдисилазана. Метод является экологически безопасным, производительным и эффективным и позволяет независимо и в широких пределах менять практически все условия синтеза покрытий. Однако открытым остается вопрос стабильного функционирования активного анода из алюминия в азот- и кислородсодержащей газовой среде в условиях интенсивного разложения КОС. Новизна предлагаемой работы обусловлена комплексным использованием сразу нескольких подходов, обеспечивающих контролируемое изменение состава активной газовой среды, степень активации реактивных газовых компонентов и паров КОС применительно к получению SiAlCN и SiAlCO, что позволит впервые провести исследование влияния различных условий в плазме и на поверхности растущих AlSiCN (AlSiCO) покрытий на их состав и свойства, и синтезировать пленки с нужными характеристиками. По результатам исследований будут определены условия стабильного функционирования разрядной системы при реактивном испарении алюминия в среде, содержащей пары кремнийорганических прекурсоров. Будут получены покрытия AlSiCN и AlSiCO и впервые проведены комплексные исследования влияния давления и состава газовой смеси, плотности и энергии ионного потока, температуры образцов на состав, структуру, физико-химические и механические свойства этих покрытий с целью получению пленок с заданными характеристиками. Успешная реализация предлагаемого проекта по получению покрытий AlSiCN и AlSiCO позволит расширить возможности существующих методов применительно к другим типам многофункциональных покрытий путем вариации сочетаний используемых кремнийорганических прекурсоров, плазмообразующих газов и испаряемых металлов.

Ожидаемые результаты
Предполагается, что результатом выполнения проекта будет расширение возможностей разработанного в Проекте 2020 метода плазмохимического осаждения функциональных покрытий анодным испарением металла в кремнийорганической парогазовой среде, активируемой в сильноточном разряде с самонакаливаемым полым катодом, путем увеличения возможных сочетаний испаряемых металлов, реактивных газовых компонентов и кремнийорганических соединений. По результатам исследований будут определены условия стабильного функционирования газоразрядной системы среде азот- и кислородсодержащих кремнийорганических соединений при интенсивном испарении и ионизации алюминия, а также интенсивной ионизации и диссоциации газовых компонентов, с целью получения AlSiCN и AlSiCO-покрытий новым PECVD методом. Будут получены AlSiCN и AlSiCO покрытия и впервые проведены комплексные исследования влияния состава парогазовой смеси и степени активации различных ее компонентов, плотности и энергии ионного потока, способа и режимов генерации плазмы на состав, структуру, физико-химические, электрические и механические свойства этих покрытий. Соответствие ожидаемых результатов мировому уровню обусловлено отсутствием в настоящее время простого и универсального способа получения тонких функциональных покрытий на основе полимерной керамики, в частности покрытий на основе AlSiCN и AlSiCO, который обеспечивал бы одновременно безопасность, экологичность, высокую производительность и независимое управление различными условиями обработки. Кроме того, высокая значимость предполагаемых результатов обусловлена возможностью использования полученных данных для получения широко спектра многокомпонентных многофункциональных перспективных покрытий, применяемых в различных областях от биомедицины до авиакосмической отрасли.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследованы условия горения разряда с самонакаливаемым полым катодом секционированным анодом, влияние паров гексаметилдисилазана (ГМДС) и тетраэтоксисилана (ТЭОС), а также реактивных газовых компонентов N2 и O2 в рабочей парогазовой среде на функционирование газоразрядной системы, в том числе стабильность работы тигля при испарении алюминия и на вольтамперные характеристики разряда. Для испарения алюминия был впервые опробован титановый тигель, азотированный в дуговом разряде в азотно-аргоновой газовой смеси, такое решение обеспечило стабильное функционирование и достаточно высокий ресурс тигля. Показано, что газоразрядная система с испаряемым алюминиевым анодом стабильно функционирует в азот- и кислородсодержащей средах в условиях интенсивного разложения паров кремнийорганических прекурсоров (ТЭОС и ГМДС). Исследован состав плазмы разряда с самонакаливаемым полым катодом в парогазовой среде, содержащей пары алюминия и кремнийорганических прекурсоров и показано, что данный способ осаждения обеспечивает как эффективное разложение кремнийорганических прекурсоров, так и высокую степень активации паров алюминия, а также интенсивный ионный поток до 8 мА/см2. Исследовано влияние токов разряда, а также состава парогазовой среды на степень диссоциации N2 и O2: показано, что в дуговом разряде с достигаются также высокие степени диссоциации как N2 до 6 %, так и O2 до 45%. Обеспечение высокой эффективности активации реактивных компонентов в широких диапазонах условий синтеза позволит получать плотные покрытия с хорошей структурой, нужными химическим составом и набором свойств. На образцах из нержавеющей стали получены тестовые SiAlCN и SiAlCO покрытия. Синтезированные в тестовых режимах пленки имели плотную однородную структуру и обладали хорошей адгезией. Показано, что меняя состав парогазовой среды и другие условия синтеза можно в широких пределах менять химический состав получаемых пленок.

 

Публикации

1. Меньшаков А.И., Брюханова Ю.А. Трибомеханические свойства TiSiCN покрытий, полученных реактивным испарением титана и разложением гексаметилдисилазана в разряде с самонакаливаемым полым катодом Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, - (год публикации - 2024)

2. Меньшаков А.И., Брюханова Ю.А., Скорынина П.А. Исследование условий получения SiAlCN покрытий методом анодного испарения Al и разложения кремнийорганического прекурсора в разряде с самонакаливаемым полым катодом Materials. Technologies. Design., V. 5, № 4(14), pp. 7–13 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.54708/26587572_2023_54147