КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

НазваниеТонкопленочные покрытия со структурой сверхрешетки и ультранизким коэффициентом трения на основе 2D и квази-2D материалов

РуководительРоманов Роман Иванович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Аннотация
Возрастающие требования к качеству контактирующих поверхностей и точности их изготовления, связанные с созданием высокотехнологичных механических устройств в том числе микромеханических, обуславливают ускоренное развитие методов модифицирования поверхности. Одно из перспективных направлений в этой области связано с нанесением тонкопленочных покрытий, которые при минимальной толщине (до 1 мкм) должны обеспечивать стабильное и длительное снижение коэффициента трения в различных возможных условиях эксплуатации (воздух различной влажности, инертный газ, вакуум, низкие и повышенные температуры). В последнее время наилучшие результаты по снижению трения достигаются за счет эффекта «суперсмазки» (коэффициент трения менее 0,01), который может проявляться при правильном выборе состава и реализации определенного структурного состояния тонких пленок, содержащих нано-размерные компоненты из дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) и/или различных модификаций углерода (графены, фуллерены, наноалмазы и пр.). На проявление эффекта суперсмазки оказывают важное влияние не только структурно-фазовые характеристики самого тонкопленочного покрытия, но и другие факторы, обусловленные спецификой трибоиспытаний (природа контртела и подложки, молекулярный состав и температура окружающей среды). Многофакторная зависимость эффекта по аномальному снижению коэффициента трения в варьируемых условиях испытаний обуславливает значительную сложность научного исследования по пониманию его природы, а также по формулировке требований к тонкопленочным материалам и технологиям их формирования. Исследования, которые предполагается проводить в рамках данного проекта, направлены на развитие новой для научного коллектива тематики: разработке методов создания ультратонких пленок ДПМ-материалов с 2D и квази-2D структурой и углеродных пленок с графено-подобной структурой, а также формирование многослойных покрытий со структурой сверхрешетки на основе этих наноматериалов с целью снижения коэффициента трения скольжения (менее 0,01) в варьируемых условиях испытаний (вакуум, инертный газ, сухой и влажный воздух). Для обеспечения ультранизкого трения контактирующих материалов предполагается формирование на их поверхности тонких пленок с разной степенью упорядочения локальной атомной упаковки, что позволит выявить влияние фактора несоразмерности атомных упаковок на трение и износ тонких пленок в различных условиях. В качестве локально-упорядоченных (нанокристаллических) компонентов будут использоваться ультратонкие слои дисульфидов молибдена и вольфрама (MoS2/WS2), а также углеродные графено-подобные слои. Для регулирования структурного состояния графено-подобная фаза будет модифицироваться за счет внедрения атомов S, H, N. Таким образом будет достигаться получение новых свойств графено-подобных состояний углерода. Качественно новые трибо-характеристики тонкопленочных покрытий реализуются в результате многофакторных трибо-индуцированных структурных и химических изменений в нанокомпозитной пленке в контактной области пары трения. Планируется изучить картину трибо-активированных процессов в новых 2D и квази-2D структурированных наноматериалах и выявить условия трибо-формирования новых поверхностных состояний, которые обеспечат ультранизкое трение и улучшенную износостойкость покрытий.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет разработано и реализовано несколько оригинальных экспериментальных методик, которые позволят создавать двумерные (2D, ультратонкие, планарные) структуры и покрытия со структурой сверхрешетки на основе дисульфидов молибдена и вольфрама (MoS2 и WS2), а также графено-подобных углеродных слоев. При получении таких наноструктурных элементов будут использованы различные варианты ИЛО (включая, реакционное). Гибкость разработанных методик позволит реализовать требуемые температурные режимы формирования компонентов нанокомпозитных пленок и исключить влияние диффузионных процессов (твердофазных реакций) на структурообразование пленок. Применение импульсного лазерного осаждения позволит с высокой точностью контролировать скорость осаждения (роста) нанослойных структур и реализовать их легирование, а также формировать покрытия с низкой степенью шероховатости. По результатам формирования и исследования новых 2D наноструктурированных тонкопленочных покрытий, содержащих ультратонкие (1 – 10 молекулярных плоскостей) слои MoS2, WS2 и графена, будут установлены механизмы трибо-индуцированных изменений на межфазных границах (интерфейсах) при варьировании условий трения. Сравнительные исследования трибо-механических характеристик «чистых» MoS2/WS2 пленок и многослойных покрытий на основе MoS2/WS2 и графено-подобных углеродных слоев позволят установить условия проявления синергетического эффекта при трении, обеспечивающего ультранизкие коэффициенты трения (0,005 – 0,01) в различных по составу окружающей среды (вакуума) условиях трибоиспытаний. Будет определено влияние фактора соразмерности структуры в ламинарных упаковках халькогенидов и графена, структурного состояния и механических характеристик углеродной фазы на трибологические характеристики пленок. Выявлено влияние трибохимических реакций серы с углеродной фазой на изменение локальной упаковки в углеродной фазе, определены условия трения, при которых халькогенидная или углеродная фаза доминирует в процессе формирования трибопленок. Ожидаемые результаты будут соответствовать передовому мировому уровню, так как будут включать экспериментальные результаты по получению и всестороннему изучению новых и актуальных тонкопленочных покрытий и способствовать получению новых знаний, необходимых для «конструирования» универсальных и качественных тонкопленочных трибопокрытий. Эти результаты востребованы и необходимы для решения практически важных задач по разработке новых антифрикционных тонкопленочных материалов (коэффициент трения менее 0,01) для пар трения в прецизионных устройствах, функционирующих в сильно изменяющихся по составу газовой среды условиях. Результаты исследований будут опубликованы в серии статей в журналах, индексируемых в базе Web of Science и Scopus.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения проекта были синтезированы образцы тонких пленок MoS2, WS2 методом реактивного импульсного лазерного осаждения. В пленках MoSx, созданных при комнатной температуре, отношение атомных концентраций серы и молибдена изменялось от 1,4 при давлении H2S 2 Па до 3,2 при давлении H2S 10 Па. В пленках, созданных при температуре 500оС состав был близок к стехиометрическому. Однако кроме соединения MoS2 присутствовал металлический молибден. Пленки WS2 с составом, близким к стехиометрическому, образовывались при распылении мишени WO3 и давлении H2S 40 Па. В пленках MoS2 и WS2 толщиной примерно 15 нм ориентация базисных плоскостей (002) была параллельной поверхности подложки. В более толстых пленках происходил разворот базисных плоскостей и образование «лепестковой» структуры. Наименьшим коэффициентом трения в условиях пониженной влажности (0,04 при нагрузке 1Н и 0,025 при нагрузке 5 Н) характеризовались пленки MoS2, созданные при давлении H2S 2 Па и WS2, созданные при давлении 40 Па. Пленки MoS2, легированные Ti, содержали меньшее количество MoO3. Однако они характеризовались менее совершенной кристаллической структурой и проявляли больший коэффициент трения. Для формирования графено-подобной структуры g-C требовалась достаточно высокая температура (700о) и низкий лазерный флюенс (примерно 2 Дж/см2). В качестве катализатора образования графено-подобной структуры использовалась тонкая пленка никеля (толщиной 10-20 нм). При последующем отжиге никелевая пленка образовывала на поверхности сеть островков субмикронных размеров. На основе выбранных материалов WS2, g-C и Ni были созданы трехслойное (WS2/g-C/WS2) и четырехслойное (WS2/g-C/ Ni/WS2) покрытия. Было установлено, что отжиг пленок g-C, происходящий перед и во время осаждения верхнего слоя WS2 при температуре 500оС в атмосфере H2S приводит к внедрению серы (и возможно водорода) и образованию дефектов в кристаллической структуре. При создании трехслойного покрытия не удалось снизить коэффициент трения. Отдельные слои перетирались в нанопластинки и быстро удалялись из зоны трения. Коэффициент трения оставался на уровне значения, характерного для одиночного слоя WS2. Четырехслойное покрытие продемонстрировало уменьшение коэффициента трения до 0,013, что близко к величине, характеризующей суперсмазку (0,01). В этом покрытии нижний слой Ni, структурированный в островки субмикронного размера, удерживал слои WS2 и g-C. Низкое значение коэффициента трения было обусловлено скольжением между слоями дисульфида вольфрама и графено-подобного углерода, модифицированного атомами серы и водорода.

Публикации

1. Романов Р.И., Фоминский Д.В., Касьяненко В.А., Грицкевич М.Д., Фоминский Ф.Ю. Effect of Interface Ni and Ti Films on Antifriction Properties of Nanolayer Thin-Film WS2/g-C Coatings Physics of Atomic Nuclei, том 85, №. 9, стр. 158–162. (год публикации - 2022).

2. Романов Р.И., Фоминский Д.В., Неволин В.Н., Касьяненко В.А., Фоминский В.Ю. Выбор компонентов и нано-структурирование тонкопленочных покрытий WS2/MoS2/a-C для снижения трения скольжения в осложненных условиях Перспективные материалы, №9, стр. 64-76. (год публикации - 2022).