Белорусские ученые создали уникальное покрытие для космических аппаратов

Разработанные нашими учеными покрытия выдерживают перепады температур от минус 100 до плюс 300 градусов по Цельсию.

Помимо космической отрасли, их уже применяют в производстве тепловизоров, приборах ночного видения и различных приемниках, в основе которых лежит метод получения и обработки инфракрасного излучения. Алмазоподобные покрытия также можно использовать при изготовлении датчиков для пожарных-спасателей, позволяющих обнаружить человека в задымленном помещении. Корреспондент «Р» узнала подробности.
 
Старший научный сотрудник лаборатории наноматериалов и ионно-плазменных процессов ФТИ Валерий Акулич следит за соблюдением технологии.

Проверка на  прочность

— Инструмент — это зубы промышленности. А наши покрытия — их эмаль, — в самом начале беседы приводит образ Николай Чекан, заведующий лабораторией Физико-технического института Национальной академии наук. 

Алмазоподобные покрытия — особый род покрытий, которые обладают свойствами, близкими к свойствам алмаза. Отсюда и название. Получают их из особо плотного графита плазменными методами.

Алмаз — самый прочный материал. Алмазоподобные покрытия соответственно тоже. Хотя их толщина составляет 1,5—2 микрона (для сравнения — толщина человеческого волоса — 50—60 микрон). При этом они необычайно эффективны.

— Из-за тонкости покрытия расход материала на получение алмазоподобных покрытий небольшой, — продолжает Николай Чекан. — Да и сам материал — углерод — дешевый. Поэтому еще один плюс метода в том, что он недорогой.

Метод не имеет аналогов в мире. И вот почему. Существуют два способа получения алмазоподобных покрытий. Первый — физический. Он основан на использовании твердых катодов вроде графита. Второй — химический. В его основе лежит использование газа, содержащего углерод. Второй способ популярнее ввиду своей дешевизны. Принцип довольно прост. В вакуумную камеру напускается газ. Внутри создается плазма, с которой углерод осаждается на поверхность изделия. Алмазоподобные покрытия, полученные таким методом, имеют ряд недостатков. Они менее прочные, содержат много водорода, имеют сравнительно низкую термическую стабильность. Все это снижает качество конечного продукта.

Наши ученые скомбинировали оба метода. В результате многократно возросла скорость осаждения атомов углерода на изделие. Следовательно, сократилось время нанесения покрытия. Теперь весь процесс занимает не более пары часов.

Максимальные размеры покрываемых деталей — 400 на 300 миллиметров. В зависимости от толщины покрытия меняется его цвет — от прозрачного к глянцево-черному. Отсюда большой интерес к разработке со стороны часовых компаний. Во-первых, покрытие повышает прочность изделия. Во-вторых, тонированное стекло и браслет смотрятся стильно. Наши алмазоподобные покрытия уже красуются на немецких и белорусских часах.

Так выглядит процесс нанесения алмазоподобного покрытия на детали часов.

Следующий шаг — создание сверхтолстых покрытий (около 30 микрон). Ученые сейчас над этим работают. Такие покрытия разрабатываются для китайского автопроизводителя. Их нанесут на детали двигателя внутреннего сгорания. Поршневые кольца, например, после нанесения на них алмазоподобных покрытий будут служить без замены до тех пор, пока работает сам двигатель. Вдобавок из-за понижения трения между поршнем и цилиндром сократится расход топлива.

Расширяя границы

В США вышла монография «Алмазоподобные углеродные покрытия», первая глава которой написана Николаем Чеканом. Интерес к разработке проявляют и на Востоке. Корейские, китайские и тайваньские компании плотно сотрудничают с нашим Физико-техническим институтом. Область применения алмазоподобных покрытий обширна — от дисплеев компьютеров до палочек для еды. Именно такие заказы на покрытия недавно поступили от одной из тайваньских компаний.

Разработка активно используется и на внутреннем рынке. Сейчас команда Николая Чекана занимается нанесением просветляющих покрытий на продукцию Белорусского оптико-механического объединения имени Вавилова. Речь идет о тепловизорах, устройствах зондирования поверхности земли, военной оптике, приборах ночного видения и прочих устройствах, работающих в инфракрасном диапазоне…

— Покрытия наносятся и на корпусные детали фотоприемников космических аппаратов. Они не должны бликовать. Для этого область вокруг объектива делают черной, так же как в вашем фотоаппарате, — наглядно демонстрирует Николай Чекан, чтобы даже неспециалист разобрался. — В космосе с лаковыми и керамическими покрытиями возникает проблема. Они плохо выдерживают радиацию и распадаются. А углерод — это мономатериал. Ему просто не на что распадаться. 

Еще одна проблема — ионизированный кислород. На низких орбитах его полно. Он крайне активен и легко вступает в химические реакции. Углерод в виде алмазоподобного покрытия не боится атомарного кислорода и поэтому устойчив к разрушению. Также он не реагирует на перепады температур, которые на теневой и световой сторонах спутника могут достигать 250 градусов.

— Многие работающие в космосе устройства имеют в своей структуре вращающиеся сочленения. Со временем они изнашиваются, так как трение в космосе большое, а смазки не используются. Автомобиль в 20-градусный мороз уже не заведется, а там температуры могут достигать минус 150 градусов по Цельсию. Ну какие смазки? — буквально на пальцах объясняет мне Николай Чекан. — Выход космонавтов в открытый космос часто связан с устранением механических неполадок в системах развертывания и позиционирования солнечных батарей, антенн и другого навесного оборудования. У алмазоподобных покрытий маленький коэффициент трения, поэтому их можно использовать для таких сочленений.
 
Покрытия наносятся в специальном боксе.  

Маленький секрет

Сейчас ученые Физико-технического института разрабатывают новые подходы к инженерии поверхности, в частности, создают гибридный метод ее упрочнения. Звучит сложно. Но не для ученых. Этот метод позволит получать сверхтвердые покрытия. Николай Чекан объяснил, где они пригодятся:

— Твердость и хрупкость как характеристики материалов очень тесно связаны. Твердые материалы по определению хрупкие. Когда мы осаждаем твердое покрытие на мягкую поверхность, например, наносим алмазоподобное покрытие на стальное сверло, это может привести к обратному эффекту. Хрупкое покрытие может раскалываться, шелушиться и попадать в зону резанья. Из-за этого возникает абразивный эффект. Все равно что песка насыпать… — вдается в физику процесса Николай Чекан. — Это приведет к обратному эффекту — сверло станет менее работоспособным.

Ученые придумали выход. Прежде чем наносить твердое покрытие, изделие подвергают азотированию. Это своего рода фундамент для алмазоподобного слоя. Азотирование как метод применяется в мире. Но в одном вакуумном технологическом цикле с нанесением покрытия — только у нас.

Самое читаемое