С мощностью четырех электрочайников

Система индуктор — мишень — образцы. Александр Фомин

Ученые из Саратовского государственного технического университета им. Гагарина разработали энергоэффективный метод металлизации технической керамики в условиях невысокого вакуума. Технология будет востребована в микроэлектронике, энергомашиностроении и авиакосмической промышленности.

Новая технология дает возможность создавать металлизацию при низком вакууме — когда давление ниже атмосферного в 250–750 раз, но примерно в 150 тыс. раз выше, чем при альтернативных методах. При этом процесс занимает всего несколько минут и по сравнению с классическими методами обеспечивает в 3–8 раз лучшее сцепление металла с поверхностью керамики без дополнительной высокотемпературной обработки. Кроме того, авторы предложили математическую модель, которая прогнозирует параметры напыления, что позволяет контролировать толщину покрытия с точностью 95%.

Предложенный подход будет полезен в микро- и радиоэлектронике для разработки устройств и датчиков, работающих при экстремальных температурах, а также в авиакосмической отрасли для напыления покрытий на поверхности сопел ракетных двигателей и лопаток турбин.

Коллектив лаборатории «Индукционные, плазменные и лазерные технологии обработки материалов» — Марина Фомина, Александр Фомин (руководитель проекта), Владимир Кошуро, Алексей Войко.

Александр Фомин

Для чего металлизировать керамику

Керамические материалы, например оксид алюминия, широко используются в микроэлектронике, авиакосмической отрасли и энергетике благодаря устойчивости к высоким температурам и химическим веществам. Например, нанесение термобарьерных покрытий — многослойных термостойких керамических материалов — на детали авиа- и ракетных двигателей снижает их вес, поскольку плотность таких покрытий в несколько раз меньше, чем у металлов. Подложки для микросхем на основе технической керамики отводят тепло, тем самым обеспечивая регуляцию температуры. Однако хрупкость и слабое сцепление с металлами ограничивают использование керамических материалов в качестве конструкционных.

Эксперименты показали, что сцепление между металлом и керамикой оказывается в 3–8 раз выше, чем у покрытий, полученных классическими методами, даже без последующей высокотемпературной обработки.

Чтобы устранить эти недостатки, на поверхность керамики наносят защитные металлические покрытия — металлизацию, например из тугоплавких металлов ниобия, молибдена или чередующихся слоев из этих металлов, которые способны выдерживать не только высокие температуры, но и радиационное и механическое воздействие. Традиционно металлы наносят на поверхность керамики, осаждая их из газовой фазы при относительно невысоких температурах. Однако такой подход требует создания высокого вакуума — давления в сотни миллионов или даже в миллиард раз ниже атмосферного. Для этого нужно дорогостоящее оборудование и долгие часы откачки воздуха из области напыления. Кроме того, само осаждение занимает длительное время, а после напыления часто приходится дополнительно нагревать готовые изделия для лучшего сцепления между металлизацией и керамикой.

Ученые из Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю. А. разработали новый метод нанесения сверхпрочных металлических покрытий на техническую керамику. Их подход заключается в том, что исходные металлы — ниобий и молибден — разогревают до 2300 °C, пропуская через них ток с высокой частотой (практически как в индукционной плите). При этом атомы металла испаряются и оседают на ненагретой керамике, из-за чего на ее поверхности формируется покрытие толщиной от единиц до двух десятков микрометров.

Основные стадии процесса напыления покрытия, микроструктура образца и график зависимости толщины металлизации от параметров процесса

Александр Фомин

В условиях невысокого вакуума

Такое осаждение можно осуществить в условиях невысокого вакуума — при давлении в 250–750 раз ниже атмосферного. При этом подход обеспечивает быстрое напыление покрытия — процесс занимает всего несколько минут. Эксперименты показали, что сцепление между металлом и керамикой оказывается в 3–8 раз выше, чем у покрытий, полученных классическими методами, даже без последующей высокотемпературной обработки.

Ученые также разработали математическую модель, которая обеспечивает 95-процентную точность получения заданной толщины слоя металлизации, а численные модели наглядно позволяют представить характер распределения температуры в металле при пропускании через него вихревых токов. Такое моделирование поможет прогнозировать скорость, с которой будет формироваться покрытие определенной толщины в зависимости от исходного металла.

Предложенная технология энергоэффективна: потребляемая в процессе напыления мощность не превышает 10 кВт, что сопоставимо с нагревом четырех электрических чайников.

Авторы подчеркивают, что предложенная технология энергоэффективна: потребляемая в процессе напыления мощность не превышает 10 кВт, что сопоставимо с нагревом четырех электрических чайников. Кроме того, подход требует вакуумных насосов, которые в десятки раз дешевле тех, что используются в классических методах осаждения.

Наш подход имеет преимущества перед традиционными физическим и химическим методами напыления металлов из газовой фазы — он не требует высокого вакуума и длительной дополнительной постобработки, при этом позволяет контролировать толщину слоя металлизации молибдена с точностью до 0,3 микрометра. Это делает технологию перспективной для промышленного внедрения. В дальнейшем мы планируем получать металлизацию из тугоплавких металлов (ниобия, молибдена и ряда других) как на вакуумплотной керамике оксида бериллия и нитрида алюминия, так и на титановых и прочих металлоизделиях, — рассказывает руководитель проекта, Александр Фомин, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы  в журнале Ceramics International.

По материалам пресс-службы РНФ