俄罗斯技术转化项目——开发纳米结构多层复合涂层的综合方法

 

所属行业：科学研究和技术服务业

 

成果属性：发明专利

 

技术领域：新材料

 

成熟度：小试

 

拟交易价格：500-1000万

 

技术合作方式：合作开发

 

技术成果/项目简介：开发纳米结构多层复合涂层的综合方法，旨在改造不同用途产品的表面性能，在物理化学和热力学过程的影响下，提高其抗磨损性和破坏性的目的。

复合纳米结构改性涂层广泛应用于制造工艺的各种用途，特别是：

切削和冲压工具；

-各种摩擦蒸汽；

-在恶劣环境中工作的高耐磨产品（酸，碱，盐等）；

-在人体环境中运行的医疗设备（牙科和骨植入物，内假体元素等）。

使用修改涂层可以创建复合材料的独特组合性质，并显着扩大现有结构材料的范围。

一个重要的科学问题，是在成分和结构方面创造最适合于指定操作条件的最佳涂料。

在解决这一问题的过程中，模拟并预测在不同的使用条件下具有不同成分和结构产品的使用寿命是一项重要的关键任务。

为了成功实施该项目，计划使用过滤真空电弧沉积的升级技术，以获得具有极高性能的涂层（与基材粘合的高强度（高达100N）；极高硬度（复合涂层高达50kpa，硼化物涂层高达80kpa，类金刚石涂层高达90kpa）；涂层组成中没有软化"滴落阶段"，工作面无微弧等损耗。

为了成功地解决该项目的问题，计划在开发的改性涂料的组成和结构设计中使用以下方法：

-使用硬化的固体溶液；

-按键合类型分级涂层合成；

-在具有均匀非金属结构的亚稳体系涂层中应用；

-具有多相纳米结构层的涂层合成；

-使用纳米级厚度亚层的涂层；

-使用可归类为"高熵"的多组分涂层。

根据研究结果，发现并考虑了由构成这种化合物的元素之间的复杂相互作用所产生的高熵化合物中存在的所谓"主要效应"。 其中最重要的是：

-"高熵效应"，其后果是，当熵足够高时，固溶体的无序相可以稳定；

-"缓慢的扩散效应"是高熵体系中的动力学转换，与传统系统相比非常缓慢。一部分是由于活化能的增加来取代扩散，另一部分是由于局部原子现象，最终停止扩散；

-"强晶格畸变效应"是指高熵系统的晶体结构极度变形；

-虽然固溶体的无序相类似于普通的体心立方结构，由于其组成原子的尺寸不同，面心立方结构或密集包装的六角结构正在发生重大变化。

-"鸡尾酒效应"导致这样的事实，即具有高熵的固溶体的强度远远高于其构成元素的加权平均强度。添加低强度和低密度的合金元素，如Al，可以使体系更有弹性，这是复杂的原子间相互作用的结果。

创建创新改性涂层的另一个重要元素是使用超晶格结构，这是由两种或多种不同材料层组成的纳米（层厚为10(-2)-10(2)nm）周期性结构。现有的科学研究表明，使用超格子结构将层与高弹性和低弹性模块相结合，可以将剪切强度提高100倍（通过控制在纳斯拉-弗兰克-里德机制的位错移动和产生位错）。超晶格结构的使用也增加了材料的硬度。

特别是，先前研究的超晶格涂层由结晶氮化碳和锡的交替层组成，具有光滑的表面结构，内部结晶结构，这种涂层的硬度为45-55kpa。当研究超晶格涂层TiC–TiB2的性能与纳米层的数量10,100和1000与TiC和TiB2的类似厚度的单层涂层的性能相比，表现了多层涂层的优点，特别是当纳米层的厚度在50纳米时。

疲劳过程是各种用途涂料磨损和破坏的一个关键原因。

在产品疲劳破坏和涂层、薄膜开裂的数学建模中，主要使用两种方法：

有限元法(Finite Element Method (FEM)或线弹性断裂力学法(linear elastic fracture mechanics (LEFM)。然而，这些方法并没有考虑到疲劳破坏过程的复杂性，特别是当产品在操作过程中动态加载时。

 

本工作建议采用高可靠性多层复合涂层疲劳断裂模拟，根据节点和耦合的渗滤法、不变潜水法的组合，在微观和宏观不均匀介质的模拟中解决吉洪诺夫调节和准利奥克斯反转问题的方法。这种纳米层结构疲劳破坏模拟技术具有相当大的普遍性，可用于下述条件解决类似的问题：应用在纳米技术在机械和其他行业。为了优化涂层的沉积参数，提出了一种模拟多层复合改性涂层合成的创新数学模型。该模型将基于Fokker-Planck-Kolmogorov微分方程来描述对流和扩散的平行过程。在项目实施的过程中，计划结合数学模型的发展从一个相当大的量的实验室实验使用现代化的设备，其结果是必要的实验数据，并验证了模拟结果。在该项目的执行团队中有应用数学、材料科学、等离子体物理学以及切割和工具生产理论方面的专家。有把握地预测，成功地完成规定的科学任务。

该科学团队从事各种应用领域的创新改性涂料的开发超过20年，在该领域具有良好的科学背景。

在近5年发表了130多篇学术文章，其中50多篇在主要国际出版物中被列入Web of Science和SCOPUS的索引（其中，超过10个出版物）。有超过10个知识产权项目的申请和安全文件（专利）。由俄罗斯科学基金会、国家任务规定、工业和贸易部以及与主要工业企业的协议资助的项目正在顺利实施和完成。

预计该项目将获得以下科学成果:

1.多层复合变形涂层合成过程的数学模型。模型将建立在Focker-Planck-Colmogorov微分方程的基础上，以描述平行的对流和扩散过程。

2.这是一个程序系统，用于模拟多层复合变形涂层的合成过程，并优化沉淀过程的参数。

3.不同使用条件多层复合变形涂层产品的磨损和疲劳破坏数学模型，基于微观和宏观不均匀介质模型。这种纳米层结构疲劳破坏模拟技术具有相当大的普遍性，可用于解决其他纳米技术领域方面的相似问题。

4.软件包，设计可使具有多层复合变形涂层的产品在不同的装载条件下进行磨损和疲劳断裂模拟。

5.基于超晶格纳米结构和多元素组成使用现代研究设备的多层复合改性涂层的性能实验室研究结果（粘合和内聚强度，元素和相位组成，显微结构）。特别是，在温度条件下，预计将对“带涂层的工具材料——加工材料”中的摩擦系数进行研究，切割区域的温度500-1000°С。

6."基材-多层复合改性涂层-接触介质"系统中氧化和扩散过程的研究结果。根据这些研究结果，将制定一种方法，用以选择最佳的涂层参数（组成，结构，沉淀条件），从而最大限度地提高对氧化和高壁垒特性的抵抗力。

7.基于超晶格纳米结构和多元素组成的一系列（不高于5系）创新的多层复合纳米结构改性涂层，适用于各种应用，在研究和数学建模结果的基础上开发。

8.建议使用具有开发涂层的切削工具。所获得的研究结果将为金属切削刀具的性能特性提供额外的提高

所获得的研究成果将为各种用途的金属切削工具（稳定性，可靠性，在高切削条件下可靠的使用能力）和医疗植入物的性能提供额外的提高（提高生物被动性，减少对人体的负面影响，延长使用寿命）。

 

科研团队核心人员姓名：薇列夏卡·阿列克谢·阿纳托里耶维奇

 

职务/职级：技术科学副博士，主任研究员，多用途表面修整和改型涂层领域专家。

 

单位名称：俄罗斯科学院信息技术设计院，莫斯科国立工艺大学

 

个人简历：获取的科学实际成果：

1.开发了一种用于机械制造业中，为高技术产品创建多功能改型复合材料的方法。提高其操作性能和理论基础，对其结构、物理机械性能和操作性能进行管理。

根据设计方法所研制的各种材料和改型合金，可提高抗磨性以及粘合剂与基材的粘结强度，这决定了产品在操作过程中的高性能。

这些涂层的合成，是通过在真空中将产品（基质）的表层，通过含有金属和气体离子形式的各种合金组分的高能等离子体流中来实现的。

2.根据合金成分的比例，离子通量密度和离子能量密度，基质温度和其他合成条件，开发并研究改型复合物的成分、结构和特性的选择性方案，提高各种高科技机械制造业产品的性能。

3.开发并应用于机械制造产品承重面上形成改型综合体的γ工艺和技术。在不同工艺的物理效应综合到一个工艺设备（复合过程）的条件下，可以大大提高它们的寿命和可靠性。制造并在工业中使用创新负极-真空-电弧沉积涂层，在各种材料制成的一系列产品的轴承表面工艺。在俄罗斯申请了各种改性复合物、工艺和形成技术的专利。开发并在工业中采用了综合强化主要机械产品的伽马技术，从而在根本上提高其使用寿命和可靠性。

4.研究了改性涂层的摩擦学性能，包括在高温下的改性涂层。

5.提出了一种可以获取和研究多层复合纳米结构涂层性能的方法。对这些涂料的主要性能性能进行了初步测试（包括在高温下测量的硬度、与基材粘接的强度、摩擦系数）。

我们取得了了一些已完成的发展项目的安全文件。

近五年：

-在俄罗斯和国际科学出版物上发表了120多篇科学文章，其中包括第一季度的16篇文章；

-获得14项涂层沉积技术和涂层沉积工艺技术改进专利；

-在26个国际科学会议上发表过研究结果（在美国，日本，欧盟，中国，韩国和其他几个国家）；

曾领导、并参与过多项科技项目。

 

联系方式：段晓宇 duanxiaoyu0158@163.com