Ученые впервые выяснили, как многослойные нанопокрытия рассеивают энергию при контакте, предотвращая разрушение

Международная исследовательская группа с участием профессора Центра инженерных систем и наук Сколтеха Александра Корсунского впервые в мире провела прямое измерение механических напряжений в зоне контакта между алмазным индентором и сложным наноструктурированным покрытием с разрешением менее 80 нанометров. Используя синхротронную рентгеновскую нанодифракцию на синхротроне ESRF в Гренобле, учёные показали, что многослойное покрытие из керамического ZrN с прослойками аморфного сплава ZrCu на 30% эффективнее рассеивает упругую энергию по сравнению с монолитным аналогом, предотвращая распространение трещин. Результаты дают инженерам прямые количественные критерии для проектирования защитных покрытий нового поколения, и были опубликованы в журнале Communications Materials.

Любой реальный контакт между твёрдыми телами происходит не по идеально ровной поверхности, а через множество микроскопических неровностей. В этих точках напряжения могут достигать десятков гигапаскалей, приводя к локальной деформации и катастрофическому разрушению. Особенно остро эта проблема стоит для защитных покрытий режущего инструмента, лопаток турбин и биомедицинских имплантов, где контактные нагрузки сочетаются с высокими температурами и агрессивными средами.

До сих пор учёные могли измерять напряжения либо в покрытии, либо в инденторе, но не одновременно. Традиционные методы давали лишь усреднённую картину с разрешением в десятки микрон, а компьютерное моделирование требовало допущений, которые не всегда подтверждались экспериментом. Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи создали уникальный наномеханический зонд: индентор из монокристаллического алмаза покрыли слоем нанокристаллического алмаза толщиной 3,8 микрона. Это позволило одновременно регистрировать дифракционные сигналы от индентора и от покрытия. Сканируя область контакта с шагом 80 нм, учёные получали карты распределения напряжений с беспрецедентной детализацией.

В однослойном покрытии сжимающие напряжения под индентором достигали –13,4 ГПа, а у границы с подложкой возникали растягивающие напряжения, провоцирующие трещины. В многослойном покрытии картина принципиально иная: напряжения оставались сжимающими по всей толщине, пиковые значения снизились, а растягивающие напряжения у подложки практически исчезли. Более того, область интенсивной деформации стала шире — нагрузка распределялась по большему объёму. Ключевой механизм заключается в том, что аморфные прослойки ZrCu, обладая меньшей жёсткостью и способностью к пластической деформации, «экранируют» передачу напряжений между слоями ZrN. Это работает подобно тому, как мягкий органический слой между минеральными пластинами в перламутре моллюсков предотвращает распространение трещин. В результате многослойное покрытие накопило лишь 69% упругой энергии по сравнению с однослойным — остальные 30% были рассеяны через пластическую деформацию интерфейсов.

Полученные данные позволяют инженерам опираться на конкретные числовые параметры при разработке защитных покрытий следующего поколения. В режущем инструменте это позволит увеличить стойкость в два-три раза за счёт подавления зарождения трещин, в лопатках газовых турбин — повысить ресурс при высокотемпературном окислении и термоциклировании, а в биомедицинских имплантатах — снизить риск износа и фреттинга. Кроме того, разработанная методика становится эталонным инструментом для валидации компьютерных моделей контактной механики, что ускорит разработку новых материалов.

«Представьте, что вы пытаетесь понять, как распределяется давление в месте контакта двух твёрдых тел. Раньше мы могли измерить либо то, что происходит внутри одного тела, либо внутри другого, но не одновременно, и с значительно более низким разрешением. Теперь, используя новейшие достижения в области синхротронных методов, мы убедились, что тончайшие металлические пленки в многослойном покрытии перераспределяют и рассеивают накопленную упругую энергию, работая подобно демпфирующим прослойкам. Это не просто прорыв в разрешении — мы даём инженерам способ прямого определения напряжений на уровне отдельных шероховатостей в реальном контакте, то есть такой инструментарий, о котором могли лишь мечтать Буссинеск, Герц, а также Гринвуд и Вильямсон», — прокомментировал соавтор исследования, профессор Центра инженерных систем и наук Сколтеха, руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов Александр Корсунский.