Отчет о научно-исследовательской работе Разработка электропроводящих износостойких покрытий с перколяционной наноструктурой для контактов токосъемников (промежуточный, этап 1)

Создание новых материалов связано в большинстве своём с необходимостью комбинирования различных функциональных свойств. Вместе с тем этого в ряде случаев трудно добиться вследствие противоположного влияния на них структурных и фазовых характеристик композита. Так, рост твердости материала, как правило, приводит к снижению его электро- и теплопроводности и наоборот поскольку приемы улучшения первого свойства приводят к ухудшению второго. Например, введение модифицирующих элементов может приводить к увеличению твердости за счет упрочнения и с одновременным снижению электропроводности в результате рассеяния электронов на атомах примеси. Рост плотности линейных дефектов в материале, в том числе увеличение протяжённости границ зёрен при измельчении, также увеличит его твердость, но снизит электропроводность. Проект направлен на разработку научно-технических основ формирования поверхностных перколяционных наноструктур на основе металлокерамических систем, обеспечивающих комплекс повышенных проводящих, механических и трибологических свойств, получаемых при напылении металлокерамических систем на различные подложки с использованием ионно-плазменного сепарированного потока, генерируемого вакуумно-дуговым методом. Формирование таких структур будет реализовано на примере систем, включающих металлическую фазу (Cu, Ag) и нитридную керамику Ti-N и Ti-Mo-N. С учетом отсутствия заметного растворения в керамической фазе и взаимодействия с азотом медь и серебро будут блокировать рост зародышей нитридов при осаждении покрытий и её измельчению, что приведет к увеличению твердости покрытий. Пластичная металлическая фаза, являясь демпфером напряжений, как внешних, так и внутренних, одновременно повысит и их вязкость разрушения. Эти два фактора будут способствовать высокой износостойкости покрытий. Одновременно с этим в объёме материала будет формироваться непрерывная сетка проводящих металлических частиц с образованием перколяционной структуры на основе меди и серебра – металлов, обладающих высокими значениями электро- и теплопроводности, обеспечивающей высокие проводящие свойства сформированных покрытий как за счёт образования эффекта перколяции, так и туннелирования между проводящими частицами при изоляции металлических кластеров наноразмерной керамической фазой. В ходе выполнения работы будут установлены закономерности структуро- и фазообразования при формировании нанокристаллических металлокерамических покрытий; условия осаждения электро- и теплопроводящих износостойких покрытий с регулируемым составом, определяющим проводящие характеристики и физико-механические свойства; исследованы электропроводящие и трибологические характеристики в широком диапазоне температур и давления среды, включая криогенные температуры и высокий вакуум; определен порог перколяции и размер перколяционного кластера; проанализировано влияние туннельного эффекта в зависимости от размера и типа кластеров на электропроводность; проведена оценка необходимого количества металлического компонента в кластерах для реализация синергетического эффекта проводящих свойств и износостойкости. Для оптимизации работы вакуумно-дуговых испарителей в процессе формирования перколяционных наноструктур будут проведены модельные расчёты параметров плазменных потоков, образующихся при испарении соответствующих катодов. Результаты моделирования позволят прогнозировать состав и структуру формируемого покрытия.