CC BY
33
николай Чекан
заместитель начальника научного инженерного центра «плазмотег» Физико-технического института, кандидат физико-математических наук
инновационная деятельность в области алмазоподобных углеродных покрытий
развитие современной техники предполагает использование материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками. в наше время наблюдается тенденция перехода от мономатериалов к композитным. особое внимание уделяется слоям материалов, обеспечивающих устойчивое функционирование изделия при его контакте с внешней средой. как и в живой природе, здесь должен быть интермедийный защитный слой, индифферентный к окружающей среде.
в научном инженерном центре «плазмотег» Физико-технического института нАн Беларуси, специализирующемся на разработке плазменных технологий получения тонких пленок и покрытий различного функционального назначения, на протяжении ряда лет под руководством члена-корреспондента э.и. точицкого интенсивно проводятся исследования, направленные на получение углеродных тонкопленочных материалов, обладающих особыми свойствами. в основу синтеза алмазоподобно-го углерода (Апу) положен вакуумный ка-тодно-дуговой метод, который благодаря особой системе периодического возбуждения разряда и конфигурации электродов позволяет формировать импульсный направленный поток практически полностью ионизированного вещества. Скорость ионов углерода достигает десятков километров в секунду и сопоставима со второй
космической скоростью. взаимодействие высокоэнергетичной плазменной струи с подложкой происходит в сильно неравновесных термодинамических условиях и позволяет получать закалочные фазовые и структурные состояния. алмазоподный углерод формируется благодаря сверхвысоким напряжениям сжатия в результате субимплантации высокоэнергетических ионов в приповерхностные слои растущей пленки. наши исследования показывают, что латеральные напряжения в пересчете на гидростатическое давление составляют 100—150 атм. появление в значительной степени гибридизированных sp3-валент-ных связей в аморфном углероде обусловливает его алмазоподобные свойства. модифицированный углерод по своей твердости и износостойкости значительно превосходит такие сверхтвердые материалы, как нитриды и карбиды металлов, включая
кубический нитрид бора. последний имеет один из самых низких коэффициентов трения в паре с металлами, не вступает в реакцию с концентрированными кислотами и щелочами. Степень «алмазоподобности» напрямую связана с процентным содержанием sp3-связей. разработанный учеными и специалистами ниц «плазмотег» Фти метод получения тонкопленочных материалов из сепарированных импульсных пучков катодно-дуговой плазмы позволяет синтезировать алмазоподобный углерод с самым высоким содержанием алмазных связей среди других модификаций алмазоподобного углерода, — их величина составляет 85%. малая длительность импульса разряда — порядка десятитысячных долей секунды, а также формирование множества катодных пятен при импульсном разряде позволяют получать покрытия со сравнительно малым включением крайне нежелательных макрочастиц, скалывающихся с поверхности графитового катода при дуговом разряде. важным технологическим преимуществом разработанного импульсного метода является возможность осаждать покрытия на поверхности изделий без их нагрева, в то время как при других методах получения подобного рода покрытий приходится повышать температуру подложки
выработки, системы электропитания и управления, включая компьютерный интерфейс. На нижеприведенной фотографии показан один из последних разработанных генераторов плазмы с блоком питания и управления. Следует отметить, что на технические решения по конструкции генератора на уровне изобретений и способ получения покрытий нами получен ряд патентов Беларуси, России, Германии, Италии, США, Канады и Китая.
АСМ избражение поверхности алмазоподобной углеродной пленки (увеличение составляет 100 тыс. крат по горизонтали и 5 млн крат по вертикали)
до 700—900°С. Высокая энергия частиц плазмы в пределах 60—80 эВ оптимальна для формирования амлазоподобного углерода без использования ускоряющего потенциала или, как его еще называют, опорного напряжения. Эти преимущества позволяют значительно расширить класс материалов, совместимых с технологией синтеза алмазоподобных покрытий, начиная от проводящих металлов и сплавов с невысокой структурно-фазовой термостабильностью до диэлектриков с развитым рельефом и сложным профилем поверхности. Высокая степень ионизации углеродной плазмы и импульсный характер поступления вещества на подложку обеспечивают условия множественного формирования закритических центров фазообразования, наступления сплошности покрытия при малых толщинах и высокую гладкость поверхности. например, параметр шероховатости пленки, изображенной на рисунке, составляет 5 нм.
Было разработано специальное оборудование для реализации импульсного катодно-дугового получения алмазопо-добных углеродных пленок. Оно состоит из генератора плазмы с подвижной системой периодического инициирования дуги в вакууме и автоматической подачей графитового катода по мере его
Благодаря государственной поддержке успешно осуществлен ряд инновационных проектов по разработке новых технологий нанесения ал-мазоподобных покрытий. В частности, создан новый абразивный материал в виде алмазоподобного покрытия специальным образом текстурированной поверхности полимерной ленты, предназначенный для прецизионной обработки поверхности изделий оптики и компьютерной техники. Абразивный материал и способ его получения при поддержке американской компании 3М, заинтересованной в приобретении данной технологии, запатентован в семи странах. Для ОАО «Термопласт» и ООО «Митра» разработана технология нанесения упрочняющих антикоррозионных пассивирующих покрытий на формы для литья изделий из пластмасс. Покрытия являются химически инертными и не вступают в реакцию со всеми известными пластмассами. Они предотвращают коррозию, налипание пластмассы на рабочую поверхность форм и штампов, улучшают гладкость изделий. Комбинированный положительный эффект защиты от коррозии, снижения износа и уменьшения коэффициента трения до 0,1 достигается при нанесении покрытий на подвижные трущиеся части форм, смазка которых жидкими лубрикаторами по технологическим причинам изготовления пластмасс не допускается. Алмазоподобные покры-
тия повышают рабочий ресурс литейных форм в 3—5 раз в зависимости от типа пластмассы, позволяют отказаться от защиты поверхности пресс-форм слоями гальванического хрома или никеля, использования силиконовой смазки. данная технология удостоена бронзовой медали VI Московского международного салона инноваций и инвестиций. Процесс нанесения покрытий является экологически чистым, позволяет заменить вредный и энергозатратный процесс хромирования или никелирования. В качестве сырья используется графит марки МПГ 6.
Значительный эффект пятикратного увеличения рабочего ресурса достигнут при использовании алмазоподобных по-
Импульсный генератор углеродной плазмы и электронный блок питания и управления
50
НАУКА И ИННОВАЦИИ №5(39)_2006
крытий на головках термопечатающих принтеров, производимых заводом «тех-ноприбор». по заказу зао «голографиче-ская индустрия» разработана технология нанесения упрочняющих алмазоподобных углеродных покрытий на никелевые рабочие матрицы для производства защитных голограмм. на оАо «минский часовой завод» нашло применение износостойкое антифрикционное углеродное покрытие, наносимое на оси трибов часовых механизмов. на основе алмазоподобного углерода создано специальное покрытие для поверхности калибров-пробок и плиток иогансона, которое показало высокую эффективность в условиях производственных испытаний на руп «мАз», оАо «Белкард».
для осуществления коммерциализации разработанных технологии возникла необходимость в высокопроизводительном вакуумном оборудовании. в рамках гнтп «новые и высокие технологии» в содружестве со Сморгонским заводом оптического станкостроения была создана специализированная вакуумная установка Уид-Си, оснащенная четырьмя генераторами и сепараторами углеродной плазмы, изготовленными по конструкторской документации, разработанной в ниц «плазмотег» Фти.
определенные успехи в коммерциализации инновационных разработок в области технологий получения алмазопо-добных углеродных покрытий достигнуты в здравоохранении. по совокупности свойств биосовместимости, антибакте-риальности, износостойкости и коррозионной стойкости барьерной защиты
Корпуса искусственных клапанов сердца «Планикс-Т» с биосовместимым промборезистенным алмазоподобным углеродным покрытием
этим покрытиям нет равных. Алмазопо-добный углерод с высокимсодержани-ем sp3-связей часто называют биоматериалом XXI века. поэтому сотрудники ниц «плазмотег» Фти предприняли значительные усилия для продвижения разработанных покрытий в область медицинской техники. было выполнено несколько инновационных проектов по разработке технологий осаждения алмазоподобных покрытий на медицинские имплантаты. Совместно с заводом «электронмаш» концерна «планар» осуществлена разработка искусственного клапана сердца «планикс-т» с биосовместимым тромбо-резистентным углеродным покрытием. на базе парка вакуумной техники ниц «плазмотег» создан участок мелкосерийного производства покрытий корпусов искусственных клапанов сердца, объем выпуска которых за полтора года превысил 2 тыс. штук. интерес к такого рода имплантатам проявляют организации здравоохранения россии и китая. в настоящее время в научном центре сердечно-сосудистой хирургии им. Бакулева рамн проходят испытания искусственные клапаны сердца с нанесенными алмазоподобными покрытиями.
планируется значительно усилить «медицинский вектор» инновационной деятельности в области плазменных технологий получения алмазоподоб-ных покрытий. Совместно с институтом физиологии нАн беларуси в этом году начато изучение возможности использования АпУ покрытий в качестве биосовместимых диэлектрических покрытий чипов, вживляемых в живые ткани организмов для исследовательских целей. Чтобы улучшить механические свойства и придать большую биосовместимость
Детали формы для литья под давлением изделий из пластмасс, помещенные внутрь вакуумной камеры
медицинским имплантатам для фиксации и коррекции поврежденных участков позвоночника, совместно с ооо «мед-биотех» разрабатывается технология нанесения АпУ покрытий на изделия сложной геометрической формы.
исследовательские работы и инновации в области синтеза алмазоподобного углерода привлекают большое внимание зарубежных научных центров и производственных компаний. ранее был выполнен партнерский проект мнтц по изучению импульсного катодно-дугового метода осаждения покрытий в вакууме. в финском исследовательском центре УТТ был протестирован деревообрабатывающий инструмент с АпУ покрытием. отмечена его эффективность для обработки сырой древесины хвойных пород, при которой в комплексе проявляются полезные свойства покрытий — высокая твердость и износостойкость, антикоррозионность и низкая адгезия по отношению к древесной смоле. В прошедшем году с разработками ниц «плазмотег» ознакомились члены представительной делегации тайванской ассоциации машиностроения, представители корейских и американских фирм. заключены научно-технические договоры и контракты на проведение совместных исследований и трансфер технологий с немецкой компанией оТЕС, Корейско-Евразийским центром и корейским институтом промышленных технологий.
