8 - latroof;pdf

УДК 620.186
М. Т. Бигаева, Н. Ю. Ефремов, Е. А. Сесина
Исследование новых функциональных и конструкционных материалов методом СЗМ
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Инновационные технологии требуют создания новых материалов. Наиболее общей
классификацией материалов является разделение на конструкционные и функциональные. Для
конструкционных материалов наиболее важными являются механические и термические свойства,
такие как механическая и термическая прочность, износостойкость, сопротивление разрушению,
упругость, коэффициент термического расширения и т.д.[1] Хотя механические свойства материалов
и являются частью функциональных свойств, условно их все же принято относить к
конструкционным.
Функциональные материалы сами по себе исполняют определенные функции, которые
должны быть предсказуемы и управляемы. Они обладают физическими и химическими свойствами,
эти свойства могут изменяться при определенных изменениях внешних условий или могут быть
стабильны. Большинство таких материалов обладают нелинейными электрическими, магнитными,
оптическими, «биологическими», «квантовыми» физическими свойствами, а также могут
представлять собой самые разнообразные комбинации этих свойств.
Для большинства материалов, как конструкционных, так и функциональных, очень важна
морфология поверхности. Ранее нами было изучено влияние режимов сканирования и других
воздействующих факторов на качество получаемых на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ)
изображений.[2] Были определены оптимальные режимы сканирования и способы устранения ложных
изображений поверхности.
В данной работе были исследованы образцы разных типов и назначения: тонкие пленки
(аморфизированные ленточные припои, пленочные магнитные экраны, пленочные сенсоры и
мебраны), поверхности элементов конструкций с особыми свойствами (упрочненные, коррозионно- и
износостойкие, с пониженным коэффициентом трения, наноструктурированные и др.),
мелкодисперсные (микросферические) порошки из неметаллических материалов и сплавов.
На образце из полиимидной пленки с медные рисунком, нанесенным методом вакуумного
напыления в установке УВН71, определено, что неровности поверхности имеют достаточно плавную
морфологию, без резких скачков и впадин. Все неровности колеблются в диапазоне одного микрона.
Аморфные (быстро закаленные) металлические сплавы (АМС) - новый класс материалов с
уникальными свойствами. Одними из наиболее перспективных материалов этого класса для
практического применения являются АМС-припои. Эффективность и режимы применения АМСприпоев для пайки в значительной степени зависят от его однородности и равномерности
распределения в нем активных компонент. Характеристики поверхности ленточных припоев могут
быть исследованы методом СЗМ. На исследованном образце неровности достигали ~ 200нм, на
поверхности наблюдаются резко возникающие пики, не являющиеся ложными искажениями (рис.1).
Это дает возможность сделать вывод о том, что лента неоднородна по толщине, что может оказаться
важным при пайке ответственных изделий.
Рис. 1. Вид поверхности АМС-припоя СТЕМЕТ 1201.
Одним из объектов исследований были поверхности элементов из углепластика. В целях
снижения коэффициента трения и повышения износостойкости, эти поверхности были
модифицированы при помощи обработки поверхностно активными веществами (ПАВ) на основе
фтортензидов. Очень важной является анизотропность структуры углепластика и изменения,
возникающие после обработки.[3] Исследования показали, что геометрия поверхности образцов до и
после обработки не имеет существенных различий. Размах по высотам обоих образцов составил
около 2 мкм (рис. 2). Для подтверждения или опровержения данного факта будут проведены
дальнейшие исследования.
Рис. 2. Поверхность образцов из углепластика до обработки (а) и после обработки ПАВ (б).
Существует много методов защиты поверхности металлических изделий от коррозии.
Одним из таких методов является никелирование. Сам по себе метод заключается в обработке
поверхности изделий путем нанесения на них никелевого покрытия. Толщина наносимого покрытия
обычно составляет от 1 до 50 мкм. Очень важным является качество нанесенного покрытия.
Исследование образцов, полученных гальваническим осаждением NiP на медную пластину, показали,
что поверхность имеет достаточно большое количество дефектов. Это означает, что был нарушен
один из этапов подготовки или нанесения самого покрытия.
На рис. 3 показан еще один объект исследований – микрошарики (МШ) из эгирина.
Производство МШ осуществляется на ЗАО «Спецхиммонтаж». Материал, из которого
изготавливаются микрошарики (оксид кремния, алюминия, титана и др.), после очистки и
измельчения, попадает в плазменную установку, где под действием температуры в 3000-3500˚С
происходит его оплавление, расплавленные частицы под действием сил поверхностного натяжения
приобретают правильную шаровидную форму.[4] МШ используют в подшипниках качения путем
добавления их в смазочные жидкости. Очень важной рабочей характеристикой МШ является
шероховатость их поверхностей. Оценка шероховатости представлена на рис.3(б). Поверхность МШ
довольно гладкая – диапазон высот неровностей находится в пределах 15 нм.
Рис. 3. Вид микрошарика из эгирина на рабочем столике (а) и поверхность микросферы (б).
Применение метода СЗМ позволяет получать достоверные результаты на микро и нано
уровнях, что делает этот метод рабочим для исследования характеристик поверхностей нано- и
микроструктурированных функциональных и конструкционных материалов.
Библиографический список
1. Третьяков Ю.Д., Гудилин Е.А. Введение в химию функциональных материалов, Москва,
2006. http://www.nanometer.ru/2009/10/27/12565923725118/PROP_FILE_files_2/intromat.pdf
2. Бигаева М.Т., Ефремов Н.Ю., Сесина Е.А. Факторы, влияющие на качество изображения,
получаемого в зондовом микроскопе в режиме АСМ, Фундаментальные основы баллистического
проектирования: сборник материалов конференции [в 2 т.] Т.II. - СПб, 2012. - 224 c. - c 52-56.
3. Е.Д. Комарова, А.Н. Лихачев, Н.Ю. Ефремов Особенности морфологии контактной
поверхности углепластиковых направляющих опорных устройств, Решетневские чтения : материалы
XVI Междунар. науч. конф.: в 2 ч. -Ч. 1.-458 с., 2012
4. Сайт ЗАО «Спецхиммонтаж» – http://www.shm-sbor.ru