Разработка физических основ применения газоразрядной плазмы и пучков заряженных частиц в новых технологиях создания функциональных покрытий, плазмохимических и биомедицинских технологиях

Объектами исследования являются: - новая модель физико-технического решения подхода к синтезу сверхтвердых композитных покрытий реактивным магнетронным распылением и распылением ионным пучком; - энергетическое воздействие неравновесной плазмы слаботочного поверхностного разряда атмосферного давления на поверхность биосовместимых полимеров (политетрафторэтилена); - модифицирование (легирование) поверхности низкоуглеродистых и инструментальных штамповых сталей карбидом бора, алюминием и аморфным бором при воздействии стационарным и импульсным пучками электронов. Научная тема направлена на решение фундаментальной проблемы физического материаловедения – разработку физических принципов формирования наноструктурных, нанофазных состояний на поверхности материалов их обработкой пучками заряженных частиц и газоразрядной плазмой. Показано, в приближении переноса кинетической энергии в каскадах столкновений при инжекции 1–10 кэВ ионного пучка в магнетрон, коэффициент распыления медного анода магнетрона составляет 3–6 атомов на один падающий ион, что позволяет вносить и регулировать с высокой точностью и в малых долевых соотношениях (единицы ат. %) примесь, в частности медь, в условиях синтеза сверхтвердых TiN–Cu покрытий реактивным магнетронным распылением и направленно воздействовать на нанокристаллическую структуру покрытий. Новая модель технического решения потенциально открывает возможность контролируемого управления размерами кристаллитов в наращиваемом покрытии и, как следствие, нанесение сверхтвердых износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких композитных покрытий полифункционального назначения TiN-Cu. Определена полная поверхностная энергия полимерной пленки политетрафторэтилена (-CF2-CF2-)n, модифицированной в неравновесной плазме слаботочного поверхностного разряда атмосферного давления. Показано, полная поверхностная энергия, дисперсионная и полярная составляющие имеют неоднородный характер и существенно зависят от растекания тока по поверхности пленки. Модификация химического состава обусловлена процессами повышения доли центров адсорбции в виде дефектов структуры, радикалов, кислородсодержащих связей. Показана уникальность воздействия стационарного и импульсного пучков электронов на модификацию поверхностных свойств низкоуглеродистой стали Cт3, инструментальных штамповых сталей 3Х2В8Ф, 5ХНМ и Х12Ф1 карбидом бора, алюминием и аморфным бором. Комбинация алюминий и борсодержащих фаз в слое способна обеспечить получение трудно сочетаемых свойств, таких как пластичность и твердость. Степень внедрения основных принципиальных технических решений обеспечена объектами интеллектуальной собственности (патенты RU № 2752334, № 2751547 и положительное решение на выдачу патента № 2019109869). Запланированные в проекте работы по этапу 2021 года выполнены в полном объеме, установленные контрольные показатели достигнуты или превышены. По каждому из перечисленных направлений получены новые результаты. Полученные результаты соответствуют достаточно высокому уровню развития научных исследований в области прикладной физики низкотемпературной плазмы и физического материаловедения. Созданные на основе полученных результатов газоразрядные устройства и способы модификации поверхности при воздействии ускоренным пучком электронов обладают инновационным потенциалом промышленного применения в области модификации поверхностных свойств стали, сплавов и биосовместимых полимеров.