Елена Куликова, «Эксперт» №4 (690), 01 фев 2010
Задел, созданный советскими учеными, может помочь России стать мировым лидером в одном из самых динамичных сегментов рынка упрочняющих технологий — в сфере алмазоподобных покрытий. Но для этого спрос на них должны обеспечить российские предприятия
В конце 1960-х годов американские физики Сол Айзенберг и Рональд Шабот сказали новое слово в области упрочняющих технологий — первыми в мире нанесли на подложку алмазоподобное покрытие. Тонкая углеродная пленка состояла из алмазоподобных (sp3) и графитоподобных (sp2) связей, объединенных в аморфную структуру. Первые сообщали ей твердость алмаза, вторые — скольжение графита. Это открывало широчайшие возможности для использования DLC-покрытий (diamond-like coating) в тех отраслях промышленности, где требовалось увеличить прочность рабочего инструмента и снизить трение между деталями. Однако метод Айзенберга и Шабота отличался низкой скоростью осаждения углерода на подложке, и его прикладное применение было малоэффективным.
В начале 1980-х группа белгородских физиков под руководством Анатолия Маслова разработала метод импульсного вакуумно-дугового напыления алмазоподобных покрытий. Микротвердость и коэффициент трения полученных пленок оказались максимально близки к свойствам алмаза, а скорость напыления позволила работать с технологией в промышленном масштабе. Белгородцы разработали установку для нанесения DLC-покрытий, которая до сих пор остается одной из лучших в мире. На этих установках, завезенных в середине 1990-х в Японию и Южную Корею, и по сей день работают эмигрировавшие российские ученые.
Электродуговой против газофазного
Созданию советской технологии нанесения алмазоподобных покрытий предшествовало другое научное открытие мирового уровня — разработка первого в мире физического метода нанесения упрочняющих покрытий на различные виды поверхностей в противовес существовавшим тогда химическим способам. Авторами технологии были ученые Харьковского физико-технического института (ХФТИ), и именно на ее основе белгородцы придумали новый метод напыления DLC.
Есть такая легенда: в начале 1970-х годов в одной из лабораторий харьковского Физтеха взорвался вакуумный насос, сконструированный учеными в поиске наиболее эффективного решения для откачки воздуха. Между титановым катодом и анодом, функцию которого выполняли стенки насосной камеры, пропускался электрический вакуумно-дуговой разряд. Катод распылялся в виде плазмы, и ионы титана осаждались на охлаждающую панель, заполненную жидким азотом. «Остывший» титан адсорбировал из воздуха остаточные газы, создавая вакуум.
Видимо, в результате взрыва охлаждающая панель была повреждена, и титан вступил во взаимодействие с азотом. На стенках насосной камеры образовался нитрид титана, который ученые совершенно случайно обнаружили в виде твердого слоя золотистого цвета. В то время его уже использовали в промышленности в качестве упрочняющего покрытия, но наносили исключительно химическим способом — так называемым газофазным методом. Однако он требовал нагрева покрываемой детали до 600–800 °С, а такую температуру мог выдержать исключительно твердосплавный инструмент.
Случайная же находка советских физиков показала, что нитрид титана можно получать с помощью электрического дугового разряда. Тогда харьковчане разработали собственную технологию. Они попробовали распылять титановый катод с помощью вакуумно-дугового разряда с одновременной подачей в камеру газообразного азота. Отныне детали в зависимости от типа покрытия можно было нагревать менее чем до 100 °С, что значительно расширило сферу применения новой технологии. Но главная ценность харьковской разработки заключалась в том, что она положила начало новому и чрезвычайно перспективному направлению в области упрочняющих технологий — физическим методам нанесения покрытий (physical vapor deposition, PVD).
Примерно до конца 1980-х годов у Советского Союза был приоритет в этой области. Он бы сохранялся и дальше, если бы решением советского Министерства электронной промышленности лицензия на использование технологии и все чертежи разработанной для нее установки не были проданы в США. Технология была фактически подарена, и, как следствие, сегодня доля России на мировом рынке PVD-покрытий, оцененном в 2007 году в 9 млрд долларов, не превышает нескольких процентов.
Рынок алмазоподобных покрытий — один из наиболее быстрорастущих сегментов глобального рынка PVD-покрытий, что обусловлено разнообразием возможностей в отношении сфер их применения. «Алмазоподобные пленки можно использовать в автомобилестроении для снижения трения некоторых деталей и в деревообработке, так как многие технологические процессы в этой отрасли связаны с налипанием смол, а данная технология помогает избежать этого», — считает директор Всероссийского научно-исследовательского инструментального института Георгий Боровский. По словам Ильи Трахтенберга, в Институте физики металлов продолжают искать применение технологии в области медицины и биотехнологий.
Благодаря разработке белгородских физиков и ее развитию уральскими учеными в докладе исследовательской компании BCC Research Россия наравне с Японией названа одним из мировых лидеров в области DLC-технологий 1990-х годов. В начале 2000-х лидерство захватили США. Однако научный приоритет по-прежнему остается за нашей страной. Теперь нужно, чтобы промышленность откликнулась на призыв внедрения инновационных технологий в производство. В этом случае мы можем стать лидерами в динамично развивающейся области.