Метальная установка: ученые ускорят создание стойкой к экстремальным условиям техники

Российские ученые разработали инновационный метод металлизации технической керамики — нанесения на нее сверхпрочных металлических покрытий. Кроме того, авторы предложили математическую модель, которая прогнозирует параметры напыления, что позволяет контролировать толщину покрытия с точностью 95%. Предложенный подход будет применен в микро- и радиоэлектронике для разработки устройств и датчиков, работающих при экстремальных температурах, и в авиакосмической отрасли. Подробнее о технологии — в материале «Известий».

Техническая керамика для микроэлектроники

Ученые из Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина (СГТУ) разработали новый метод нанесения сверхпрочных металлических покрытий на техническую керамику. Суть подхода в том, что исходные металлы — ниобий и молибден — разогревают до 2300 °C, пропуская через них ток высокой частоты (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.

Как пояснили «Известиям» специалисты, керамические материалы, например оксид алюминия, широко используются в микроэлектронике, авиакосмической отрасли и энергетике благодаря своей 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 такие покрытия имеют плотность в несколько раз меньше, чем у металлов. Подложки для микросхем на основе технической керамики отводят тепло, тем самым обеспечивая регуляцию температуры. Однако хрупкость керамики и слабое сцепление с металлами ограничивают их использование в качестве конструкционных материалов.

Чтобы устранить эти недостатки, на поверхность керамики наносят защитные металлические покрытия — 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 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.

Новый метод осаждения 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 три-восемь раз выше, чем у покрытий, полученных классическими методами, даже без последующей высокотемпературной обработки.

— Наш подход имеет преимущества перед традиционными физическими и химическим методами: он не требует высокого вакуума и длительной дополнительной постобработки. При этом он позволяет контролировать толщину слоя металлизации молибдена с точностью до 0,3 микрометра, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ Александр Фомин.

Это делает технологию перспективной для промышленного внедрения. В дальнейшем ученые планируют получать металлизацию из тугоплавких металлов (ниобия, молибдена и ряда других металлов) как на вакуумплотной керамике оксида бериллия и нитрида алюминия, так и на титановых и прочих металлоизделиях.

Энергоэффективный метод

Также ученые 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.

Авторы подчеркивают, что предложенная технология энергоэффективна: потребляемая в процессе напыления мощность не превышает 10 кВт, что сопоставимо с четырьмя работающими электрическими чайниками. Кроме того, подход требует вакуумных насосов, которые в десятки раз дешевле, чем те, что используются в классических методах осаждения.

Разработанный метод упрощает и удешевляет металлизацию керамики за счет работы в условиях низкого вакуума и отсутствия высокотемпературной постобработки, сказала «Известиям» научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические материалы» НИТУ МИСИС Вероника Суворова.

— Это открывает возможности для массового производства термостойких керамико-металлических компонентов в микроэлектронике (подложки микросхем, датчики), авиакосмической отрасли (сопла двигателей, лопатки турбин) и энергетике, где требуются материалы с высокой теплопроводностью и стойкостью к экстремальным нагрузкам, — подчеркнула эксперт.

Однако при масштабировании технологии на крупногабаритные изделия возникают закономерные вопросы, связанные с конструктивными особенностями установки, отметил кандидат химических наук, научный сотрудник физического факультета ИТМО Лев Логунов. Увеличение размеров кольцевого испарителя приведет к необходимости значительного роста силы тока и мощности, что негативно скажется на эффективности процесса и может ухудшить равномерность нанесения покрытия.

— В то же время для изделий с малыми размерами, таких как компоненты микроэлектроники или сенсорные элементы, данная технология выглядит весьма перспективной, — сказал он.

Метод также должен пройти проверку на обеспечение стабильности качества и экономической целесообразности. Например, кроме сцепления металла с поверхностью керамики важно обеспечить низкую дефектность покрытия, отметил директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ имени Н.Э. Баумана Евгений Александров.

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