Международная научная группа, в состав которой вошел профессор Александра Корсунского из Центра инженерных систем и наук Сколтеха, впервые осуществила непосредственное измерение механических усилий в зоне соприкосновения алмазного наконечника с многослойным наноструктурированным покрытием. Разрешение данной методики составило менее 80 нанометров. При помощи синхротронного рентгеновского анализа нанодифракции, проведенного на установке ESRF в Гренобле, ученые продемонстрировали, что многослойное покрытие из керамического нитрида циркония (ZrN), разделенного слоями аморфного сплава на основе циркония и меди (ZrCu), рассеивает упругую энергию на 30% эффективнее по сравнению с однородным аналогом, тем самым препятствуя образованию трещин. Полученные данные предоставляют конструкторам четкие количественные параметры для разработки защитных покрытий нового поколения и были опубликованы в журнале Communications Materials (Springer-Nature).

Любой реальный контакт между твердыми материалами происходит не на идеально гладкой поверхности, а через множество микроскопических выступов. В этих местах напряжения могут достигать величин в десятки гигапаскалей, вызывая локальные деформации и приводя к разрушению материала. Особенно актуальна эта проблема для защитных слоев режущего инструмента, лопастей турбин и биомедицинских имплантов, где контактные нагрузки сочетаются с воздействием высоких температур и агрессивных сред.

До этого момента ученые могли измерять напряжения либо в покрытии, либо в инденторе по отдельности, но не одновременно. Традиционные подходы давали лишь усредненную информацию с разрешением порядка десятков микрон, а компьютерное моделирование основывалось на допущениях, которые не всегда находили подтверждение в экспериментальных данных. Для преодоления этого ограничения исследователи разработали уникальный наномеханический зонд: монокристаллический алмазный индентор был покрыт слоем из мелкокристаллического алмаза толщиной 3,8 микрона. Это позволило одновременно фиксировать дифракционные сигналы как от индентора, так и от покрытия. Сканируя область контакта с шагом в 80 нм ученые получили карты распределения напряжений беспрецедентной детализации.

В однослойном покрытии зоны сжатия под индентором достигали –13,4 ГПа, а на границе с основанием возникали растягивающие напряжения, способствующие образованию трещин. В многослойном покрытии картина существенно отличается: напряжение остается сжимающим по всей толщине, пиковые значения уменьшились, и растягивающие напряжения у подложки практически отсутствуют. Кроме того, область интенсивной деформации стала шире — нагрузка распределяется на больший объем материала. Основным механизмом является то, что аморфные слои ZrCu, характеризующиеся меньшей жесткостью и способностью к пластической деформации, «затушают» передачу напряжений между слоями ZrN. Это аналогично тому, как мягкий органический слой между минеральными пластинами в перламутре моллюсков предотвращает распространение трещин. В результате многослойное покрытие накопило лишь 69% упругой энергии по сравнению с однослойным — остальные 30% были рассеяны посредством пластической деформации на границах раздела.

Новые сведения дают возможность специалистам учитывать точные числовые показатели при создании защитных слоев нового типа. В режущем оборудовании это приведет к увеличению долговечности в два-три раза благодаря предотвращению возникновения дефектов, для лопастей турбин – улучшению характеристик при окислении высоких температур и циклических перепадах температуры, а биомедицинские имплантаты смогут демонстрировать меньшую подверженность износу и фреттингу. Помимо этого, разработанный подход становится базовым средством проверки компьютерных симуляций контактной механики, что ускорит процесс создания новых материалов.

«Попытайтесь представить ситуацию: необходимо понять распределение давления в области соприкосновения двух твердых объектов. Ранее мы могли измерять либо состояние внутри одного объекта, либо другого, но не одновременно и с гораздо меньшей детализацией. Сейчас, благодаря передовым синхротронным методам, нам удалось установить, что тончайшие металлические слои в многослойном покрытии изменяют направление и рассеивают накопленную упругую энергию, функционируя как амортизирующие прокладки. Это не просто повышение точности измерений – мы предоставляем инженерам метод непосредственного определения напряжений на уровне отдельных микронеровностей при реальном контакте, то есть такой инструмент, о котором могли только фантазировать Буссинеск, Герц, и Гринвуд с Вильямсоном», — отметил один из авторов исследования, профессор Центра инженерных систем и наук Сколтеха, руководитель Лаборатории материалов со сложной структурой. Александр Корсунский.