Как многослойные нанопокрытия рассеивают энергию при контакте, предотвращая разрушение
Международная исследовательская группа с участием профессора Центра инженерных систем и наук Сколтеха Александра Корсунского впервые в мире провела прямое измерение механических напряжений в зоне контакта между алмазным индентором и сложным наноструктурированным покрытием с разрешением менее 80 нанометров. Используя синхротронную рентгеновскую нанодифракцию на синхротроне ESRF в Гренобле, учёные показали, что многослойное покрытие из керамического ZrN с прослойками аморфного сплава ZrCu на 30% эффективнее рассеивает упругую энергию по сравнению с монолитным аналогом, предотвращая распространение трещин. Результаты дают инженерам прямые количественные критерии для проектирования защитных покрытий нового поколения, и были опубликованы в журнале Communications Materials (Springer-Nature).
Любой реальный контакт между твёрдыми телами происходит не по идеально ровной поверхности, а через множество микроскопических неровностей. В этих точках напряжения могут достигать десятков гигапаскалей, приводя к локальной деформации и катастрофическому разрушению. Особенно остро эта проблема стоит для защитных покрытий режущего инструмента, лопаток турбин и биомедицинских имплантов, где контактные нагрузки сочетаются с высокими температурами и агрессивными средами.
До сих пор учёные могли измерять напряжения либо в покрытии, либо в инденторе, но не одновременно. Традиционные методы давали лишь усреднённую картину с разрешением в десятки микрон, а компьютерное моделирование требовало допущений, которые не всегда подтверждались экспериментом. Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи создали уникальный наномеханический зонд: индентор из монокристаллического алмаза покрыли слоем нанокристаллического алмаза толщиной 3,8 микрона. Это позволило одновременно регистрировать дифракционные сигналы от индентора и от покрытия. Сканируя область контакта с шагом 80 нм, учёные получали карты распределения напряжений с беспрецедентной детализацией.
Полученные данные позволяют инженерам опираться на конкретные числовые параметры при разработке защитных покрытий следующего поколения. В режущем инструменте это позволит увеличить стойкость в два-три раза за счёт подавления зарождения трещин, в лопатках газовых турбин — повысить ресурс при высокотемпературном окислении и термоциклировании, а в биомедицинских имплантатах — снизить риск износа и фреттинга. Кроме того, разработанная методика становится эталонным инструментом для валидации компьютерных моделей контактной механики, что ускорит разработку новых материалов.
«Представьте, что вы пытаетесь понять, как распределяется давление в месте контакта двух твёрдых тел. Раньше мы могли измерить либо то, что происходит внутри одного тела, либо внутри другого, но не одновременно, и с значительно более низким разрешением. Теперь, используя новейшие достижения в области синхротронных методов, мы убедились, что тончайшие металлические пленки в многослойном покрытии перераспределяют и рассеивают накопленную упругую энергию, работая подобно демпфирующим прослойкам. Это не просто прорыв в разрешении — мы даём инженерам способ прямого определения напряжений на уровне отдельных шероховатостей в реальном контакте, то есть такой инструментарий, о котором могли лишь мечтать Буссинеск, Герц, а также Гринвуд и Вильямсон», — прокомментировал соавтор исследования, профессор Центра инженерных систем и наук Сколтеха, руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов Александр Корсунский.
Источник: Пресс –служба Сколтеха