Investigation of the resistance of K-208 glasses with optically transparent Al-Si-N nanocomposite coatings to the impact.pdf Введение Активное освоение космоса и необходимость разработки космических аппаратов (КА), способных работать в экстремальных условиях космического пространства, требует разработки новых функциональных материалов и технологий их получения. К числу важнейших факторов, способных вызывать эрозию поверхности и местные разрушения, относятся столкновения КА с микрометеоритами. Наиболее всего от ударов микрометеоритов страдают различные оптические элементы КА, например фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) солнечных батарей (СБ). На данный момент в России для повышения срока активного существования и защиты ФЭП СБ КА от факторов космического пространства применяют пластины из радиационно-стойкого стекла марки К-208 толщиной от 170 до 500 мкм. Основным назначением защитных стекол СБ является снижение уровня радиационных повреждений ФЭП протонами радиационных поясов Земли, а также снижение числа механических повреждений ФЭП СБ КА при ударах микрометеороидов, однако не исключают их возникновения полностью. Одним из способов решения этой проблемы может стать нанесение защитных покрытий из материалов с высокой плотностью и температурой плавления, низким термическим коэффициентом линейного расширения, обладающих большой твердостью в сочетании с высоким коэффициентом упругого восстановления и являющихся также прозрачными в видимой области спектра. Такому широкому спектру свойств могут отвечать композиционные покрытия, состоящие из металлических и керамических слоев, в частности покрытия на основе системы Al-Si-N. На данный момент опубликован ряд работ [1-4], посвященных формированию методом магнетронного распыления прозрачных нанокомпозитных покрытий системы Al-Si-N. Однако анализ работ [1-4] показал, что микроструктура и, следовательно, свойства вышеуказанных покрытий в значительной степени определяются условиями их формирования в процессе магнетронного напыления. Кроме того, до настоящего момента времени покрытия системы Al-Si-N были исследованы с точки зрения их потенциального применения в устройствах автоэлектронных эмиссионных датчиков, УФ-излучателей света, антиокислительных или оптически прозрачных твёрдых покрытий, стойких к оксидированию [2]. Нас, прежде всего, интересует возможность использования покрытий системы Al-Si-N в качестве защиты стеклянных элементов КА от механических повреждений, возникающих при ударном воздействии высокоскоростных твердых частиц. Однако для прогнозирования ресурса работы защитных покрытий на основе Al-Si-N при воздействии микрометероидных частиц требуется проведение ударных испытаний в лабораторных условиях, что по своей сути является новым и актуальным. В связи с этим, целью данной работы являлось исследование структурно-фазового состояния, механических и оптических свойств покрытий Al-Si-N, а также оценка их стойкости к ударному воздействию высокоскоростных твердых микрочастиц железа. Материалы и методика эксперимента В качестве экспериментальных образцов (подложек) использовали образцы стекла марки К-208 диаметром 15 мм и толщиной 4 мм. На поверхность образцов стекла К-208, прошедших предварительную обработку в ультразвуковой ванне, магнетронным методом были нанесены защитные покрытия системы Al-Si-N. Данные покрытия наносили на вакуумной установке УВН-05МД «КВАНТ» (НПП «Техимплант лтд», г.Томск) [5] методом импульсного магнетронного распыления мозаичной мишени на основе алюминия с определенным количеством кремниевых вставок. Питание магнетрона осуществлялось от импульсного источника тока с частотой повторения импульсов до 50 кГц и скважностью 80 %. Мощность магнетрона в ходе распыления достигала 1.2 кВт. Отношение парциальных давлений азота к аргону в камере составляло 1:3. Нагрев подложек в процессе осаждения покрытий до температуры (29010) °С осуществляли с помощью резистивного молибденового нагревателя мощностью 10 кВт. Толщина осаждаемых защитных покрытий системы Al-Si-N составляла 6 мкм. Элементный состав покрытий определяли с помощью энергодисперсионного рентгеновского микроанализатора (EDX) INCA-Energy (Oxford Instruments), встроенного в сканирующий электронный микроскоп LEO EVO-50XVP. Структурно-фазовое состояние исследовали методом рентгенофазового анализа (РФА) на дифрактометре ДРОН-7. Съемка дифрактограмм исследуемых покрытий проводилась при непрерывном 2θ-сканировании с фокусировкой по Брэггу - Брентано в излучении кобальтового анода (CoKα  = 1.78897 А). Идентификация кристаллических фаз проводилась с использованием базы данных JCPDS PDF-2 структурного банка данных ICDD. Исследование механических свойств покрытий было выполнено методом инструментального индентирования на измерительном комплексе NanoHardnessTester в Томском материаловедческом центре коллективного пользования НИ ТГУ. Измерения нанотвердости проводились при нагрузке 20 мН. С целью получения достоверного результата для каждого образца наносили не менее 10 отпечатков и за окончательный результат принималось среднее арифметическое значение. Расчет твердости приведенного модуля упругости и коэффициента упругого восстановления покрытий проводили на основе анализа полученных диаграмм вдавливания наноиндентора по методу Оливера - Фарра. Рис. 1. Схема расположения образцов на столе-держателе Эксперимент по взаимодействию высокоскоростных микрочастиц с поверхностью стекла был проведен с помощью легкогазовой пушки МПХ23/8 [6], разработанной в Научно-исследо¬вательском институте прикладной математики и механики Томского государственного университета. Пушка включала в себя устройство для разгона поршня, ствол, вакуумируемую камеру, в которой помещался предметный стол-держатель с исследуемыми образцами. В центре стола-держателя имеется отверстие диаметром 50 мм для пропуска более крупных осколков, которые могут образовываться при разрушении лепестков диафрагмы. Экспериментальные образцы диаметром 15 мм закрепляются равномерно вдоль длины окружности диаметром 115 мм. Эта величина диаметра определяется наиболее вероятным углом разлета высокоскоростных микрочастиц железа, которые применяются для бомбардировки стеклянных образцов. Общее количество образцов составляло 8 шт., из которых 4 шт. - это образцы стекла с защитным покрытием, а другие 4 шт. - образцы из стекла той же марки без покрытия. При этом исследуемые образцы размещались на предметном столе-держателе по схеме, представленной на рис. 1. В качестве частиц для бомбардировки экспериментальных образцов были выбраны микрочастицы порошка железа сферической формы (рис. 2, а) со средним размером (56.3±8.2) мкм (рис. 2, б). Общая масса порции порошка для каждого выстрела была постоянной и составляла (60.0±0.1) мг. Скорость бомбардирующих частиц железа при проведении эксперимента находилась в диапазоне от 3 до 8 км/с. Методика определения скорости бомбардируемых частиц железа подробно описана в работе [7]. Рис. 2. СЭМ-изображение (а) частиц порошка железа и распределение их по размерам (б) После проведения ударных испытаний изображения кратеров, формирующихся на поверхности исследуемых образцов, регистрировались с помощью сканирующего электронного микроскопа LEOEVO-50XVP. Затем на полученных изображениях измерялись размеры и количество кратеров, формирующихся на участках площадью 80 мм2, на основании чего были построены распределения кратеров по размерам и рассчитана поверхностная плотность кратеров: , (1) где N - количество формируемых кратеров; S - площадь участка, выделенного на поверхности исследуемого образца. Результаты и их обсуждение Выбранные условия магнетронного осаждения позволили сформировать на поверхности стекла К-208 покрытия, содержащие в своем составе следующие элементы: кремний - 12 ат. %, алюминий - 39 ат. %, азот - 49 ат. %. Результаты исследования фазового состава исследуемых образцов методом рентгеноструктурного анализа (рис. 3) позволили установить, что в исследуемом покрытии наблюдается формирование фазы AlN с гексагональной плотноупакованной структурой (ГПУ, JCPDS Card No. 25-1133). Важно отметить, что все дифракционные линии, присутствующие на дифрактограмме исследуемого образца, имеют асимметричную форму и значительное уширение. Асимметричная форма дифракционных линий может быть следствием многофазности покрытия, формирующегося в условиях импульсного магнетронного осаждения. В соответствии с тройной фазовой диаграммой системы Al-Si-N наличие в составе покрытий Al, Si и N в указанном выше соотношении позволяет ожидать, что в сформированных покрытиях помимо фазы AlN (ГПУ) могут формироваться фазы -Si3N4 (ГПУ) и -Si3N4 (ГПУ). При этом известно, что фазы AlN, -Si3N4 и -Si3N4 имеют одинаковый тип решетки и близкие значения межплоскостных расстояний, что может приводить к сильному перекрытию дифракционных линий данных фаз на дифрактограмме. Применение трудоемкой методики разделения дифракционных максимумов на отдельные компоненты не позволило выделить линии, которые характерны для фаз -Si3N4 и -Si3N4. Предполагаем, что причиной этого является тот факт, что формируемая фаза Si3N4 может находиться в аморфном состоянии, о чем свидетельствует наличие диффузного гало на дифрактограмме (рис. 3) в интервале углов 20-38°. Наблюдаемое уширение дифракционных линий на дифрактограмме исследуемого образца обусловлено тем, что формируемые кристаллиты фазы AlN являются наноразмерными. Это подтверждается результатами определения размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) для AlN с помощью метода Вильямсона - Холла. С помощью уширения линий (100), (101), (102) и (103) было определено, что размер ОКР фазы AlN составляет 10 нм. Рис. 3. Фрагмент рентгенограммы исследуемого образца стекла К-208 с защитным покрытием системы Al-Si-N по симметричной схеме съемки в кобальтовом K-излучении. Указаны индексы Миллера для рефлексов фазы AlN Анализ спектров пропускания света для исследуемых образцов (рис. 4) показал, что исходное стекло К-208 (рис. 4, кривая 1) имеет высокую степень пропускания около 90 % в видимом диапазоне длин волн, а для волн длиной 200-350 нм является непрозрачным. Нанесение защитного покрытия Al-Si-N приводит к уменьшению светопропускания образца до 75 % в видимой области спектра (рис. 4, кривая 2). Следует отметить, что для образца с покрытием Al-Si-N наблюдаемая полоса поглощения в области длин волн 200-350 нм (рис. 4, кривая 2) обусловлена поглощением подложки из стекла марки К-208 в указанной области спектра (рис. 4, кривая 1). Рис. 4. Спектры пропускания образцов стекла с защитными покрытиями Результаты анализа механических свойств исследуемых образцов показали, что нанотвердость исходного стекла К-208 составляет 8.5 ГПа, а нанотвердость стекла К-208 с защитным покрытием Al-Si-N - 30 ГПа. Видно, что полученное значение нанотвердости для системы покрытие - подложка превышает нанотвердость исходного стекла К-208 в 3.5 раза. Важно отметить, что для покрытия Al-Si-N высокие значения нанотвердости сочетаются с высокими значениями коэффициента упругого восстановления (We  70 %). Высокий уровень механических свойств для образцов стекла с покрытиями Al-Si-N, по-видимому, связан с процессом кристаллизации в нем наноразмерной фазы AlN. В результате ударно-волнового взаимодействия потока высокоскоростных микрочастиц железа и исследуемых образцов на поверхности последних было обнаружено формирование кратеров, СЭМ-изображения которых представлены на рис. 5, а и в. Видно, что образующиеся на поверхности исследуемых образцов кратеры имеют форму, характерную для хрупких материалов: образуется центральное углубление, вокруг которого формируется зона повреждений в виде кольцевых трещин, которая визуально напоминает раковину (раковистая зона). Следует отметить, что размеры кратеров, образующихся на поверхности исследуемых образцов, лежат в широком интервале. Для количественной оценки размеров кратеров с помощью сканирующего электронного микроскопа на поверхности каждого исследуемого образца был выбран и исследован участок площадью 20 мм2. При этом общая площадь исследования кратеров на поверхности исходного стекла К-208 и стекла К-208 с защитным покрытием составила 80 мм2 для каждого образца. На поверхности исходного стекла К-208 после ударно-волнового воздействия потока высокоскоростных микрочастиц Fe на выделенном участке было обнаружено 1280 кратеров (рис. 5, а), размер которых варьировался от 10 до 1000 мкм. Результаты измерения размеров кратеров по СЭМ-изображениям для исходного стекла К-208 представлены на рис. 5, б в виде соответствующего распределения. Согласно этим данным, преимущественное большинство образующихся кратеров для всех образцов исходного стекла К-208 имеют размеры от 10 до 50 мкм. При переходе в сторону больших размеров наблюдается плавное снижение количества образующихся кратеров и в области 500-800 мкм наблюдается формирование единичных кратеров. Поверхностная плотность кратеров для исходного стекла К-208 составила 16 мм-1. Рис. 5. СЭМ-изображения (а, в) и распределение кратеров по размерам (б, г), образовавшихся на поверхности образцов стекла К-208 до (а, б) и после (в, г) нанесения защитных покрытий Al-Si-N при воздействии потока высокоскоростных микрочастиц железа После нанесения на поверхность стекла К-208 защитного покрытия системы Al-Si-N толщиной 6 мкм количество образовавшихся кратеров, размер которых лежит в интервале от 30 до 800 мкм (рис. 5, в), снижается до 460. Поверхностная плотность кратеров для стекла К-208 с защитным покрытием Al-Si-N составляет 5.75 мм-1. Следовательно, нанесение защитных покрытий системы Al-Si-N толщиной 6 мкм на образцы стекол К-208 приводит к уменьшению поверхностной плотности кратеров в 2.8 раза по сравнению с исходными стеклами. При измерении размеров кратеров было установлено, что защитные покрытия системы Al-Si-N полностью предотвращают образование на поверхности исследуемых образцов кратеров с размерами менее 30 мкм, а доля кратеров размером до 100 мкм не превышает 5 % (рис. 5, г). Заключение Таким образом, проведенные исследования структурно-фазового состояния исследуемых образцов с помощью рентгеноструктурного анализа показали, что метод импульсного магнетронного напыления позволяет формировать на поверхности стекла К-208 покрытия системы Al-Si-N толщиной 6 мкм, содержащие фазу AlN (ГПУ). Формируемое покрытие Al-Si-N является нанокристаллическим, так как размер кристаллитов AlN составляет 10 нм. Полученные значения размеров ОКР формируемого нитрида алюминия свидетельствуют о весьма высокой дисперсности элементов субструктуры покрытий, полученных магнетронным методом. Исследование оптических свойств исследуемых образцов показало, что стекла К-208 после нанесения на их поверхность защитного покрытия Al-Si-N толщиной 6 мкм сохраняют высокую степень прозрачности (около 75 %) в видимом диапазоне длин волн. Нанесение покрытий на основе системы Si-Al-N позволяет не только увеличить нанотвердость поверхностного слоя образцов стекла К-208 до 30 ГПа, но и сохранить высокий уровень упругих свойств (We  70 %) за счет кристаллизации в нем наноструктурной фазы AlN. Исследование процессов кратерообразования на поверхности исследуемых образцов в результате бомбардировки их потоком высокоскоростных микрочастиц (dср = 56 мкм) железа показало, что нанесение покрытий Al-Si-N на стекла К-208 приводит к уменьшению поверхностной плотности кратеров ρ по сравнению с исходными стеклами ρ0 при одних и тех же условиях испытания в 2.8 раза. Обнаруженный эффект показывает, что применение нанокристаллических покрытий системы Al-Si-N в качестве оптически прозрачных противоударных защитных слоев на поверхности стекол К-208 является перспективным и требует проведения дальнейших исследований влияния таких покрытий на процесс разрушения стекла, применяемого для работы в условиях ударных нагрузок.

Скачать электронную версию публикации