В Университете МИСИС усовершенствовали технологию нанесения защитных электропроводящих покрытий на медные изделия, широко используемые в качестве элементов скользящих электроконтактов, например, в токосъемниках. Метод увеличивает прочность соединения покрытий с подложкой на 17%.
Одна из фундаментальных проблем поверхностной инженерии — создание адгезионно-прочного покрытия на изделии с подложкой, у которой значительно отличается линейный коэффициент теплового расширения (ЛКТР). Разница в ЛКТР приводит к термическим напряжениям, которые могут вызвать отслоение покрытия в процессе его осаждения.
В конструкциях токосъёмников, используемых в промышленности и быту для передачи электроэнергии и сигналов, зачастую применяются трущиеся пары «металл-металл» — в частности, из меди, золота и платины. Главный недостаток золота и платины — высокая стоимость. Кроме того, все перечисленные металлы подвержены износу в зоне контакта двух токопроводящих элементов. Процесс сопровождается локальным перегревом, что в итоге приводит к адгезионному схватыванию и вырыванию материала проводящего элемента. Чтобы защитить изделие от механического износа, на поверхность наносятся тонкие керамико-металлические покрытия, которые отличаются высокой твёрдостью и электропроводностью на уровне чистой меди. Однако такие покрытия имеют плохое сцепление с подложкой из чистой меди, у которой ЛКТР отличается, что приводит к неравномерному осаждению.
«Причина в том, что медь и покрытие на основе нитрида титана характеризуются большой разницей ЛКТР и по-разному реагируют на изменение температуры: они расширяются и сжимаются в процессе осаждения с разной скоростью. В результате это приводит к несплошности покрытия. Такие покрытия не могут использоваться в качестве защитных», — объясняет к.т.н. Дмитрий Белов, ведущий инженер научного проекта кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСИС.
Существующие подходы, такие как увеличение шероховатости поверхности и применение промежуточных слоёв, не всегда обеспечивают стабильный результат и могут ухудшать эксплуатационные характеристики изделий. Исследователи НИТУ МИСИС предложили два альтернативных решения этой задачи и сравнили их эффективность.
Первый способ — изменить состав защитного покрытия так, чтобы оно реагировало при нагреве почти так же как и сам металл подложки, увеличив содержание металлической компоненты в составе покрытия. Это позволяет снизить разницу ЛКТР покрытия и подложки. Однако в таком случае покрытие становится более пластичным и менее износостойким.
Второй способ заключается в предварительной обработке медной подложки с помощью энергетического воздействия мощного импульсного пучка ионов титана. В результате тонкий приповерхностный слой изменяется на уровне структуры: формируется переходная зона, обеспечивающая более прочное сцепление покрытия с основой, где образуются «точки роста» будущего покрытия. С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научном журнале Materials Letters (Q2).
«Анализ микроструктуры и распределения элементов подтвердил формирование модифицированного приповерхностного слоя толщиной до нескольких десятков нанометров, в котором титан частично растворяется в меди. Это способствует улучшению диффузионного взаимодействия между покрытием и подложкой», — сказал к.т.н. Александр Демиров, старший преподаватель кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСИС.
В перспективе предложенный подход позволит значительно увеличить срок службы электропроводящих компонентов, подверженных постоянному трению и нагреву. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (№
