Введение 11
Глава 1. Объект исследований и методы его получения 16
1.1 Алмазоподобные кремний-углеродные покрытия (АКУП) 16
1.2 Методы осаждения АКУП 17
1.2.1 Плазмохимический метод осаждения на постоянном токе 18
1.2.2 Метод высокочастотного плазмохимического осаждения 21
1.2.3 Комбинированный метод плазмохимического и физического
осаждения 24
1.2.4 Метод ионно-лучевого осаждения 26
1.2.5 Несамостоятельный дуговой разряд с накалённым катодом 27
Вывод к разделу 28
Глава 2. Экспериментальное оборудование 30
2.1 Методика исследования параметров образующейся плазмы и методы
исследования алмазоподобных кремний-углеродных покрытий 30
2.1.1 Методика определения плотности ионного тока, концентрации
плазмы и электронной температуры 30
2.1.2 Исследование фазового состава методом Рамановской
спектроскопии 33
2.1.3 Исследование структуры методом ИК-Фурье спектроскопии 34
2.1.4 Исследование морфологии поверхности методом атомно-силовой
микроскопии 35
2.1.5 Исследование химического состава методом
энергодисперсионного анализа 36
2.1.6 Исследование механических свойств АКУП 37
2.2 Экспериментальная установка для осаждения АКУП покрытий 39
2.3 Технологический источник и источники питания 40
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережние 43
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережния 43
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 43
4.1.2 Анализ конкурентных технический решений 43
4.1.3 Технология QuaD 45
4.1.4 SWOT-анализ 47
4.2 Планирование научно-исследовательских работ 50
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 50
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ 52
4.2.3 Разработка графика проведения научного исследования 53
4.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 57
4.3.1. Расчет материальных затрат НТИ 58
4.3.2 Основная заработная плата исполнителей темы 59
4.3.3 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 62
4.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 63
4.3.5 Контрагентные расходы 64
4.3.6 Накладные расходы 64
4.3.7 Формирование бюджета затрат НИП 65
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 65
Вывод к разделу 67

Купить

В современном мире широко встает вопрос об увеличении срока службы промышленных механизмов, медицинских инструментов, отдельных деталей машин, работающих в условиях взаимного трения. Главным образом это связано с тем, что используемое для их изготовления сырье является дорогостоящим. В связи с этим, создание антифрикционных износостойких покрытий, способных увеличить долговечность деталей и механизмов, не изменяя при этом структуру и свойства обрабатываемых изделий, на сегодняшний день является актуальной задачей.
В настоящее время существуют различные способы увеличения износостойкости деталей: слесарно-механическая обработка, применяемая для устранения задиров, рисок и других дефектов поверхности, а также для получения необходимой чистоты поверхности; термическая обработка, или закалка, позволяющая повысить твердость поверхности детали; химико- термическая обработка, включающая в себя азотирование, фосфатирование, сульфидирование, борирование и др., позволяет изменять химический состав, структуру и свойства поверхности металлов; механическое упрочнение, гальваническая обработка, а также нанесение защитных покрытий на поверхности деталей.
Наибольший интерес представляют тонкопленочные покрытия, формируемые вакуумными ионно-плазменными методами. Преимущества таких методов состоят в следующем:
• возможность достижения высокой чистоты покрытий и однородность их толщины;
• возможность формирования сложных покрытий различного стехиометрического состава;
• возможность нанесения высокоадгезионных покрытий;
• возможность проведения процесса нанесения при низкой температуре подложки, что позволяет обрабатывать даже легкоплавкие материалы;
• возможность высокоскоростного нанесения покрытий;
• возможность точного регулирования технологических процессов и их полной автоматизации;
• безопасность для окружающей среды и экономическая выгодность.
Также известно, что в ионизованном или возбужденном состоянии
атомы и молекулы легче взаимодействуют друг с другом, делая процесс нанесения покрытий более эффективным [1].
Тонкие пленки могут применяться во многих областях науки и техники: машиностроении, медицине, космической отрасли, судостроении и авиастроении. В зависимости от условий осаждения можно формировать покрытия с требуемой структурой и свойствами.
В настоящее время большой интерес в науке и промышленности приобрели алмазоподобные углеродные пленки (АПП) за счет своих уникальных механических, химических, трибологических, а также электрических и оптических свойств. Такой набор свойств позволяет применять АПП не только в качестве защитных, но и для использования в солнечных батареях, носителях информации, биомедицинских применениях и др.
Алмазоподобный углерод является метастабильной формой углерода,состоящей из алмазоподобной фазы с sp типом гибридизации, отвечающей за механические свойства покрытия, и графитоподобной фазы с sp2 типом гибридизации, характеризующей электрические свойства покрытия.
Мягкие a-C:H пленки, именуемые полимероподобными, обладают низкой твердостью и содержат ~50% водорода в пленке. Твердые a-C:H пленки, с меньшей концентрацией водорода и графитовой фазы называют алмазоподобными. Отличаются от полимероподобных большей твердостью, низким коэффициентом трения и высокой химической стойкостью. Ta-C:H пленки с высокой долей алмазной фазы и содержанием водорода 20-30 % называют пленками аморфного гидрогенизированного тетраэдрального углерода. Наиболее твердыми являются пленки аморфного дегидрогенизиованного тетрагонального углерода, ta-C, которые лишь немного уступают в твердости кристаллическому алмазу [2].
Твердость АПП определяется концентрацией sp атомов углерода. Но соотношение sp /sp принципиальным образом определяет твердость материала лишь в том случае, если в пленках отсутствует водород. С увеличением содержания водорода, увеличивается концентрация полимероподобных кластеров, которые приводят к снижению твердости пленок.
Как и любые материалы, алмазоподобные углеродные покрытия имеют свои недостатки: во-первых, высокие внутренние напряжения (~6 ГПа), которые приводят к недолговечности и невозможности создания пленок толщиной более 2 мкм; во-вторых, высокий коэффициент трения во влажной среде и, в-третьих, снижающаяся твердость при температурах выше 250 °С.
Для придания углеродным пленкам дополнительных свойств в структуру таких пленок внедряют атомы различных элементов, таких как N, Si, B, O, F и металлов, таких как Ti, W, Ni, Cu и др. Например, внедрение в структуру АПП азота N увеличивает гидрофильность и шероховатость пленок [3], что улучшает клеточную адгезию и биологическую совместимость. Добавление азота также уменьшает твердость покрытия, и изменяет оптические и электрические свойства АПП [4]. Включение в структуру АПП вольфрама W приводит к уменьшению коэффициента трения покрытия, увеличивая, тем самым, износостойкость материала [5]. Внедрение атомов бора в структуру АПП уменьшает шероховатость покрытия и способствует снижению внутренних напряжений [6]. Также внутренние напряжения можно незначительно снизить добавлением в структуру АПП серебра Ag [7]. Легирование титаном Ti позволяет повысить твердость пленок, при увеличении внутренних напряжений и коэффициента трения покрытий [8].
Снижение коэффициента трения в условиях влажной среды, подавление остаточных внутренних напряжений, а также повышение рабочей температуры при стабильной твердости достигается путем включения в структуру АПП оксида кремния Si:O. Такая структура получила название гидрогенизированного аморфного углерода легированного оксидом кремния или, используемый нами термин, алмазоподобные кремний-углеродные покрытия (АКУП). Данные покрытия обладают низкими внутренними напряжениями (<1 ГПа), что позволяет создавать покрытия толщиной десятки микрон на подложках из практически любого материала, низким коэффициентом трения во влажной среде, а также стабильной твердостью в диапазоне 6-20 ГПа при температурах выше 250 °С [9]. Кремний- углеродные покрытия, как и АПП, могут быть легированы атомами различных элементов, в том числе металлов. Это позволяет изменять и придавать требуемые свойства пленкам, необходимыми для использования в той или иной области науки и техники.
В настоящей работе рассматривается осаждение кремний-углеродных покрытий из плазмы несамостоятельного дугового разряда с накалённым катодом. Целью настоящей работы являлась оптимизация процесса осаждения кремний-углеродных покрытий, их формирование и исследование структуры, морфологии поверхности, химического и фазового состава, механических и трибологических свойств.

Купить