- depunerea peliculelor multistrat cu straturi de nanometri;
- formarea acoperirilor nanocompozite.
8.2.1. Efectul bombardării ionice asupra formărilor de acoperire
Anterior, în lucrarea lor Musii et al. Au arătat că o modalitate de a schimba microstructura, proprietățile fizice și mecanice ale acoperirilor este implementarea procesului de depunere sub bombardament a ionilor în creștere a energiei de suprafață a condensului. In acest bombardament de ioni conduce la o scădere a dimensiunii cristalitelor, limitele grăunților de compactare, formarea defectelor de radiație (Frenkel pereche de defecte punctuale și altele), apariția unor tensiuni de compresiune.
Astfel, de exemplu, prin aplicarea unei acoperiri de TiN prin vakuumnodugovogo depunerea prin furnizarea unui procedeu de depunere pe o tensiune de substrat impulsuri negative, 1 - 2 kV cu o frecvență de 1 - 7 kHz și o tensiune de curent continuu în intervalul 0 - 500 poate reduce dimensiunea elementelor structurale în acoperire. Ca o ilustrare, Fig. 8.5 prezintă fractogramele acoperirilor TiN. Se poate observa că acoperirile obținute au o structură coloană inerentă acoperirilor cu plasmă ionică.
Evaluarea dimensiunii cristalitelor din lățimea liniilor de raze X dă valoarea medie de 15 - 30 nm, în același timp, TiN dimensiuni medii cristalitelor obținute fără implantare cu tensiune de polarizare constantă este de 100 - 200 nm.
Fig. 8.5. Fractogramele fracturii stratului de TiN depus la o presiune a azotului de 0,66 Pa: a - cu o deviație constantă negativă de 230 V și cu impulsuri de 2 kV; b - cu o deviație constantă negativă de 230 V [14]
Astfel, utilizarea bombardamentului ionic în timpul formării acoperirilor permite reducerea mărimii granulelor și, prin urmare, modificarea structurii și a proprietăților materialelor rezultate.
8.2.2. Procesul de amestecare
Procesul de amestecare constă în adăugarea unuia sau mai multor elemente la materialul principal cu un element. Introducerea elementului de aliere împiedică creșterea boabelor din faza principală a stratului de acoperire.
Parametrii principali care pot fi utilizați pentru a controla structura filmului sunt temperatura substratului T s. energia E b i. livrate filmului în creștere prin bombardarea ionilor și a neutronilor rapizi, precum și cu numărul și tipul de elemente adăugate.
Alți factori joacă, de asemenea, un rol important în formarea filmelor nanocristaline:
- intermixabilitatea reciprocă sau imiscibilitatea elementelor de film,
- capacitatea elementelor de a forma soluții solide sau compuși intermetalici,
- entalpia formării aliajului ΔH f (negativă sau pozitivă).
Structura filmului depinde foarte mult de diferiți factori și de combinația lor reciprocă.
Deci, de exemplu, o singură fază microstructură este calitativ filme bune pot fi descrise prin modele propuse Movchan și Demchishin, Thornton [29, 30]. Cu toate acestea, toate aceste modele variază foarte mult, dacă elementele de aliere a impurității sunt adăugate filmului. Impuritățile sau aditivii opresc creșterea boabelor și stimulează germinarea boabelor. Acest fenomen conduce la formarea unei structuri globulare, care se extinde în aceste modele de la valori scăzute la valori ridicate.
T s T m cu o creștere a conținutului de impurități sau aditivi în film;
poate fi observată o granulozitate densă pentru filmele TiN, în care au fost încorporate atomi de Si, adică pentru filmele Ti-Si-N.
Toate acestea sugerează că transformarea microstructurilor columnar la granulare densă ar putea apărea, de asemenea, atunci când un material monofazic este convertit într-o două faze, de exemplu, o schimbare în compoziția sa chimică. Acest fenomen a fost demonstrat pentru filmele WC-Ti 1-x Al x N. În timp ce aceste filme cu x = 0,3 au arătat o microstructură coloană explicită, filmele cu x = 0,57 au fost foarte omogene și nu au prezentat o microstructură coloană. Stoichiometria x = 0,57 corespunde bine intervalului de concentrație cuprins între 50 și 60 ° C. % Al, în care pot fi formate filme în două faze constând dintr-un amestec de granule TiN și boabe AlN. Această schimbare în stoichiometria filmului corespunde, de asemenea, foarte bine tranziției de la faza cristalină la faza amorfă a aliajului binar Ti-Al. Anume, s-a constatat că filmele de TiAl conținând 35 - 59 la. % Al, sunt raze X amorfe.
Acest lucru indică faptul că filmul cu o microstructură cu granulație fină densă poate fi format nu numai introducerea de impurități și / sau aditivi, dar, de asemenea, alegerea condițiilor de depunere, care permit să formeze un film constând dintr-un amestec de granule nanocristaline de materiale diferite, diferite orientări cristalografice, și / sau diferite structuri de zăbrele și granule cu o orientare cristalografică preferențială puternică. Un rol-cheie în formarea filmelor nanostructurate îl are și energia furnizată filmului în timpul creșterii sale.
Comparativ cu procesul în care condițiile care predomină în depunerea de bombardament ionic în procedeul de mai sus poate forma un film constând dintr-un amestec de diferite granule nano-cristaline, precum și filme nanoamorfnye cu structură nanocristalină.
8.2.3. Acoperiri multistrat cu o nanostructură
O modalitate eficientă de a controla mărimea cristalitelor în direcția creșterii stratului de acoperire a fost metoda de obținere a nanostructurilor multistrat. Structura multistrat în acoperiri este obținută prin depunerea periodică a straturilor subțiri individuale cu o grosime dată de diferiți compuși refractari [17 ± 21]. În același timp, ponderea interfețelor interfazate în structura nanomaterialelor crește în raport cu volumul total de interfețe, care afectează semnificativ proprietățile stratului multistrat. Limitele granulelor reprezintă obstacole în calea propagării dislocărilor și fisurilor, ceea ce implică o creștere a durității acoperirilor. În Fig. 8.7 Ca o ilustrare, schema acoperirii nanostructurate TiN x / Cr x / AlN și schimbarea durității sunt prezentate, în funcție de periodicitatea straturilor.
Se poate observa că la o anumită frecvență de alternanță a stratului, adică La o anumită grosime a nanoparticulelor, este posibil să se obțină valori ridicate ale durității. Reducerea durității la grosimi mici (6 - 7 nm) este asociată cu estomparea limitelor dintre straturi. Crearea și cercetarea acestor acoperiri are un mare interes științific și practic.
8.2.4. Acoperiri nanocompozite
Acoperirile nanocompozite reprezintă o nouă generație de materiale. Suprafețele nanocompozite, care au fost studiate intens la mijlocul anilor nouăzeci ai secolului XX, sunt foarte diferite de materialele convenționale. Materialele convenționale sunt direcționate granular cu o dimensiune a granulei d mai mare de 100 nm. Îmbunătățirea proprietăților lor se bazează în principal pe legarea materialului de bază. În acest fel, au fost create noi superaliaje cristaline și super-ceramică. Datorită dimensiunii granulelor relativ mari d, procesele de deformare în materialele convenționale sunt determinate de dislocări. Aceste procese determină proprietățile de bază ale materialelor în vrac și acoperiri, de exemplu, duritatea H, modulul E Young, deformare plastică, recuperare elastică, rezistență (duritate), rezistența la fisurare, stabilitate termică, rezistență la oxidare.
Fig. 8.7. Microstructura, modificarea durității stratului de acoperire multistrat față de periodicitatea nanolayerilor [18]
Activitatea de dislocare este principalul motiv pentru care proprietățile materialelor convenționale constând din granule mari (> 100 nm)
pot fi ameliorate numai prin dopaj cu un alt element, dar nu schimbat radical, ca în cazul materialelor nanocompozite constând din mici<100 нм) зерен. Материалы, состоящие из смеси, по крайней мере, двух различных видов маленьких (<100 нм) зерен, определены как нанокомпозитные материалы. Дислокации прекращают генерироваться в зернах с размером d ≈ 10 нм. Это означает, что когда размер зерна d уменьшается, дислокационная активность постепенно заменяется новыми процессами деформации, в частности усилением границ зерна, скольжением границ зерна и электронным соединением между атомами в соседних зернах и/или атомами в граничных областях. Кроме того, отношение S/V поверхности S и объема V зерен, также отношение N b / N g количества атомов в граничной области, окружающей зерно, и в зерне также сильно увеличиваются с уменьшением d. Свойства нанокомпозитных материалов определяются размером и формой зерен и топологией границ вокруг зерен. Это главные причины, почему нанокомпозитные покрытия показывают улучшенные свойства и очень часто совсем неожиданные новые уникальные физические и функциональные свойства.
Materiale nanocompozite datorate 1) foarte mici (<10 нм) размера зерен, из которых они состоят, и 2) значительной роли граничных областей, окружающих отдельные зерна, ведут себя другим образом по сравнению с обычными материалами с зернами больше, чем l00 нм, и таким образом они обладают совершенно новыми свойствами. Это особый класс наноматериалов, характеризующейся гетерогенной структурой, которая образована практически не взаимодействующими фазами со средним линейным размером структурных элементов <100 нм. Они состоят, как минимум, из двух фаз с нанокристаллической и аморфной структурой. В этом направлении в настоящее время набольшие успехи были достигнуты для систем с полной или практически полной несмешиваемостью составляющих, находящихся в состоянии при котором твердые нанокристаллиты полностью окружены материалом другой фазы в аморфном состоянии.
Un model idealizat cu o acoperire nanocompozită ultrahardă este prezentat în Fig. 8.8a. În Fig. 8.8.b este o reprezentare schematică a unuia dintre nanocompozitele sistemului Ti-Si-N.
Până în prezent, au fost investigate mai multe sisteme de nitruri în această direcție. Cea mai amănunțită cercetare a fost efectuată asupra sistemului TiN-Si 3 N 4.
Fig. 8.10. Reprezentarea schematică a diferitelor nanostructuri de nanocompozite cu duritate crescută: a - coloane; b - nanograin, înconjurat de faza materialului principal; c - amestec de nanograin [23]
Conform nanostructurii filmului, nanocompozitele cu H crescut pot fi împărțite în trei grupe.
1. Nanocompozite cu nanostructură coloană, constând din boabe recoltate în nanocoloni. În acest caz, o cantitate insuficientă din a doua fază (materialul principal) este observată pentru a acoperi toate boabele,
2. Nanocompozitele cu o nanostructură globulară densă constând din nanograin complet înconjurat de o fază subțire a materialului de bază, Fig. 8.10b.
3. nanocompozit nanostructură globular dens format din nanogranulelor diferite materiale (materiale cu două faze) sau nanogranulelor cu diferite orientări cristalografice și structura cu zăbrele din același material (material monofazată)
Nanocompozitele obținute la limitele cristaline ale tranzițiilor (Fig.8.10a, b) au de asemenea o nanostructură coloană. Nanocompozite constând din nanogranulelor complet înconjurate de material de bază de fază, sunt formate în tranziția de cristalin la starea amorfă (Fig. 8.10a). Nanocompozite constând dintr-un amestec de nanogranulelor mici nanogranulelor material diferit sau diferite orientare cristalografică și / sau structura grilaj din același material sunt formate în interiorul între două faze cristaline sau două orientări cristalografice avantajoase ale boabelor.
Clasificarea dată mai sus a fost confirmată experimental. Originea H crescută este strâns legată de dimensiunea și forma blocurilor standard care alcătuiesc nanocompozitul. Pe baza acestui fapt, se poate concluziona că atât geometria blocurilor de construcție cât și dimensiunile granulelor sunt parametri fizici care determină noile proprietăți unice ale filmelor nanocompozite. Creșterea durității poate constitui o acoperire constând dintr-un amestec de nanograine din același material, dar diferite orientări cristalografice și structuri de zăbrele. Acest lucru explică duritatea mărită a materialelor monofazate
În prezent, cel mai mare succes a fost obținut pentru sisteme
cu o nemiscibilitate completă sau aproape completă a constituenților într-o stare în care nanocristalitele solide sunt complet înconjurate de materialul celeilalte faze în stare amorfă. Până în prezent,
Sisteme de Ridnyi. Sistemul cel mai bine investigat TiNSi 3 N 4
8.4. Proprietățile mecanice ale acoperirilor nanocristaline
Sunt cunoscuți trei parametri care afectează întărirea nanocompozitelor:
1) macrostress σ. Apariția în stratul de acoperire în timpul creșterii;
2) nanostructuri nanocompozite;
3) legături covalente scurte între atomi, care sunt prezente, de exemplu,
măsuri în acoperirile Si-C-N și Si-C-B-N.
Creșterea durității este rezultatul acțiunii combinate a doi sau chiar toți cei trei parametri. Acest fapt complică foarte mult
Articole similare
-
Informații generale despre produsele corsetului, gama lor și materialele folosite
-
Fațada fațadelor, principalele tipuri, prețurile materialelor și lucrărilor
Trimiteți-le prietenilor: