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

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 проекта 20-79-10059

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

Руководитель Меньшаков Андрей Игоревич, Кандидат технических наук

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

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

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

Код ГРНТИ29.27.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время разработаны различные виды твердых защитных износостойких покрытий на основе керамических и металлокерамических композиционных материалов. Одними из перспективных покрытий такого типа являются TiSiCN покрытия, достоинствами которых являются высокая термостойкость, позволяющая им сохранять высокую твердость (до 55 ГПа) до 800°C, стойкость к окислению до 900°C, низкий коэффициент трения и превосходная износостойкость по сравнению с обычными нитридными или карбонитридными покрытиями. В связи с этим покрытия такого типа могут хорошо работать в широком спектре промышленных применений для защиты компонентов от агрессивных сред, включая высокоскоростную резку в сухих или почти сухих условиях, а также найти применение в качестве износостойких покрытий поршневых колец, компонентов протезов и др., поэтому на различных аспектах получения этого материала сосредоточено внимание многих исследователей по всему миру. Одним из актуальных направлений исследований является расширение возможностей существующих методов получения таких покрытий, повышение их эффективности, производительности и безопасности технологии. Современные способы получения нанокомпозитных покрытий должны удовлетворять достаточно высоким требованиям по безопасности, экологичности, эффективности, производительности, а также иметь возможность контролируемого изменения различных условий обработки и, соответственно, получения покрытий требуемого состава с заданными свойствами. Однако используемые в настоящее время подходы либо не удовлетворяют требованиям по безопасности и экологичности, как, например, при использовании ядовитых и взрывоопасных газовых смесей, либо достаточно сложны и не позволяют независимо и в широких пределах управлять многими условиями, влияющими на характеристики получаемых покрытий. Данный проект посвящен разработке и исследованию простого и универсального способа плазмохимического осаждения нанокомпозитных TiSiCN покрытий. Новизна предлагаемой работы обусловлена комплексным применением сразу нескольких подходов, обеспечивающих контролируемое изменение состава активной газовой среды и формирование TiSiCN покрытий с требуемыми характеристиками с высокой скоростью в большом объеме, что позволит впервые провести исследования влияния независимо друг от друга различных условий в плазме и на поверхности растущего TiSiCN покрытия на его состав и свойства. В частности, оригинальной и перспективной является идея использования разряда с самонакаливаемым полым катодом одновременно для активации слаботоксичных паров кремнийорганического прекурсора, для разогрева испаряемого анода и создания потока паров титана, а также для ионизации парогазовой среды и интенсивного ионного сопровождения. Применение предложенных подходов позволит получать нанокомпозитные покрытия с высокой скоростью, и при этом независимо и в широких пределах менять практически все параметры обработки. Это даст возможность управлять как масс-зарядовым составом и степенью разложения компонентов газовой смеси, так и характером и степенью ионного воздействия на поверхность обрабатываемых изделий, что, в конечном счете, позволит контролируемо изменять структуру, состав и свойства получаемых покрытий. По результатам исследований будут определены рабочие характеристики разрядной системы с секционным анодом при работе в среде, содержащей пары кремнийорганического прекурсора, и сформулированы требования к технологическим газоразрядным системам, разрабатываемым для получения многокомпонентных нанокомпозитных покрытий методом PECVD c использованием кремнийорганических соединений, с анодным испарением. Будут получены покрытия TiSiCN 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. Успешная реализация предлагаемого проекта по получению TiSiCN-покрытия позволит расширить возможности существующих методов применительно и к другим типам многофункциональных покрытий путем вариации сочетаний используемых кремнийорганических прекурсоров, плазмообразующих газов и испаряемых металлов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Меньшаков А.И. Comparative Study of the Conditions for SiCN-Coatings Deposition in a Electron Beam Generated Plasma and in a Discharge with a Self-heated Hollow Cathode IEEE 2020 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE), Proceedings of 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE), Tomsk, Russia, 2020, pp. 848-852. (год публикации - 2020)
10.1109/EFRE47760.2020.9242095

2. Меньшаков А.И., Емлин Д.Р. Obtaining TiN Coatings by Reactive Anodic Evaporation of Titanium in a Gas Discharge with a Self-Heated Hollow Cathode Technical Physics Letters (год публикации - 2021)
10.1134/S1063785021050254

3. Меньшаков А.И., Брюханова Ю.А., Скорынина П.А. Obtaining of TiSiCN coatings by anodic evaporation of titanium and decomposition of hexamethyldisilazane in a low-pressure arc discharge Journal of Physics: Conference Series, V. 1954, 012032 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1954/1/012032

4. Меньшаков А.И., Брюханова Ю.А., Сурков Ю.С., Скорынина П.А. Investigation of the plasma composition of a discharge with a self-heating hollow cathode and an active anode in a gas mixture with titanium and hexamethyldisilazane vapors Journal of Physics: Conference Series, V. 2064, 012046 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2064/1/012046

5. Меньшаков А.И., Брюханова Ю.А., Кухаренко А.И., Жидков И.С. Synthesis of nanocomposite TiSiCN coatings by titanium evaporation and organosilicon compound activation in hollow cathode arc discharge Membranes, V.12(3), 321 (год публикации - 2022)
10.3390/membranes12030321

6. Брюханова Ю.А., Меньшаков А.И. Characteristics of the method of deposition of TiN coatings by anodic evaporation of titanium in a low-pressure arc discharge AIP Conference Proceedings, V. 2466, Iss. 1, 030018 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0088745

7. Меньшаков А.И., Брюханова Ю.А., Скорынина П.А., Медведев А.И. Plasma Enhanced High-Rate Deposition of Advanced Film Materials by Metal Reactive Evaporation in Organosilicon Vapors Membranes, 13(4), 374 (год публикации - 2023)
10.3390/membranes13040374

Публикации