Ученые впервые обнаружили, как многослойные нанопокрытия рассеивают энергию при контакте, предотвращая разрушение

Международная исследовательская группа с участием Александра Корсунского, профессора Центра инженерных систем и наук Сколтеха, первой в мире осуществила прямое измерение механических напряжений в зоне контакта алмазного индентора со сложным наноструктурным покрытием с разрешением менее 80 нанометров. С помощью синхротронной рентгеновской нанодифракции на синхротроне ESRF в Гренобле ученые показали, что многослойное покрытие из керамики ZrN слоями аморфного сплава ZrCu на 30% эффективнее рассеивает упругую энергию по сравнению с монолитным аналогом, предотвращая распространение трещин. Результаты предоставили инженерам прямые количественные критерии для проектирования защитных покрытий следующего поколения и были опубликованы в журнале Communications Materials.

Любой реальный контакт между твердыми телами происходит не на идеально ровной поверхности, а через множество микроскопических неровностей. В этих точках напряжения могут достигать десятков гигапаскалей, что приводит к локальной деформации и катастрофическому разрушению. Особенно остро эта проблема стоит для защитных покрытий режущего инструмента, турбинных лопаток и биомедицинских имплантатов, где контактные нагрузки сочетаются с высокими температурами и агрессивными средами.

До сих пор ученые могли измерять напряжение либо в покрытии, либо в инденторе, но не одновременно. Традиционные методы давали лишь усредненную картину с разрешением в десятки микрон, а компьютерное моделирование требовало допущений, не всегда подтверждавшихся экспериментом. Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи создали уникальный наномеханический зонд: монокристаллический алмазный индентор был покрыт 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, ученые получили карты распределения напряжений с беспрецедентной детализацией.

В однослойном покрытии сжимающие напряжения под индентором достигали –13,4 ГПа, а на границе с подложкой возникали растягивающие напряжения, провоцирующие появление трещин. В многослойном покрытии картина принципиально иная: напряжения оставались сжимающими по всей толщине, пиковые значения уменьшались, а растягивающие напряжения вблизи подложки практически исчезали. Причем область интенсивной деформации стала шире – нагрузка распределялась по большему объему. Ключевой механизм заключается в том, что аморфные прослойки ZrCu, обладая меньшей жесткостью и способностью подвергаться пластической деформации, «экранируют» передачу напряжений между слоями ZrN. Это работает аналогично тому, как мягкий органический слой между минеральными пластинами в перламутре моллюсков предотвращает распространение трещин. В результате многослойное покрытие аккумулировало лишь 69% упругой энергии по сравнению с однослойным покрытием, остальные 30% рассеивались за счет пластической деформации границ раздела.

Полученные данные позволяют инженерам опираться на конкретные числовые параметры при разработке защитных покрытий следующего поколения. У режущих инструментов это увеличит срок службы в два-три раза за счет подавления зарождения трещин; в лопатках газовых турбин увеличит срок службы при высокотемпературном окислении и термоциклировании; а в биомедицинских имплантатах это снизит риск износа и истирания. Кроме того, разработанная методика станет эталонным инструментом для проверки компьютерных моделей контактной механики, что ускорит разработку новых материалов.

"Представьте, что вы пытаетесь понять, как распределяется давление в точке контакта двух твердых тел. Раньше мы могли измерять либо то, что происходит внутри одного тела, либо внутри другого, но не одновременно, и с гораздо меньшим разрешением. Теперь, используя последние достижения в области синхротронных методов, мы убеждены, что тончайшие металлические пленки в многослойном покрытии перераспределяют и рассеивают накопленную упругую энергию, работая как демпфирующие слои. Это не просто прорыв в разрешении - мы даем у инженеров появился способ прямого определения напряжений на уровне отдельных шероховатостей в реальном контакте, то есть такие инструменты, о которых Буссинеск, Герц, а также Гринвуд и Уильямсон могли только мечтать», — прокомментировал Александр Корсунский, соавтор исследования, профессор Центра инженерных систем и наук Сколтеха, заведующий лабораторией иерархически структурированных материалов.