Российские исследователи создали инновационный способ металлизации технической керамики, позволяющий наносить на нее сверхпрочные металлические слои. Помимо этого, они разработали математическую модель, способную предсказывать параметры напыления, что обеспечивает контроль толщины покрытия с точностью до 95%. Данная технология будет применяться в микро- и радиоэлектронике для изготовления устройств и сенсоров, функционирующих в экстремальных температурных условиях, а также в аэрокосмической сфере. Подробности о методике — в материале «Известий».

Специалисты из Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина (СГТУ) разработали новый способ нанесения устойчивых металлических покрытий на техническую керамику. Главная идея метода заключается в нагревании исходных металлов — ниобия и молибдена — до 2300 °C с пропусканием высокочастотного тока (аналогично индукционной плите). При этом металл испаряется, и его атомы оседают на холодной керамической поверхности, формируя слой толщиной от единиц до нескольких десятков микрометров.

Как объяснили газете «Известия» эксперты, керамические материалы, к примеру оксид алюминия, популярны в микроэлектронике, аэрокосмической индустрии и энергетике благодаря своей стойкости к высоким температурам и химически активным средам. Например, использование термобарьерных покрытий — многослойных керамических термостойких материалов — на деталях авиационных и ракетных двигателей уменьшает их вес, так как плотность этих покрытий существенно ниже, чем металлов. Керамические подложки микросхем эффективно отводят тепло, обеспечивая температурный контроль. Тем не менее хрупкость керамики и слабое сцепление с металлами ограничивают ее использование в строительных целях.

Для устранения данных минусов на керамику наносят защитные металлические слои — к примеру, из тугоплавких металлов, таких как ниобий и молибден, или их чередующихся слоев, которые способны выдерживать не только высокие температуры, но и радиационные и механические нагрузки.

Современные методы нанесения металлов на керамику обычно предполагают осаждение из газовой фазы при низких температурах. Однако этот процесс требует создания высокого вакуума — давления, в сотни миллионов или миллиарды раз ниже атмосферного. Для этого необходимы дорогое оборудование и длительная откачка воздуха из камеры напыления. Помимо того, длительное само осаждение и последующая высокотемпературная обработка готовых изделий для улучшения сцепления значительно удлиняют процесс.

Новаторский метод позволяет работать при низком вакууме — при давлении 250–750 раз ниже атмосферного. Это обеспечивает быстрое напыление слоев: процесс занимает всего несколько минут. Испытания показали, что сцепление металла и керамики в три-восемь раз прочнее по сравнению с классическими методами, даже без дальнейшей термообработки.

— Наш метод превосходит традиционные физико-химические техники: он не требует высоких вакуумных условий и длительной постобработки. Помимо этого, он позволяет с точностью до 0,3 микрометра контролировать толщину молибденового слоя, — сообщил газете «Известия» руководитель проекта, доктор технических наук и заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ Александр Фомин.

Благодаря этому технология перспективна для промышленного внедрения. В дальнейшем специалисты планируют создавать металлизацию из различных тугоплавких металлов (ниобия, молибдена и др.) на вакуумноплотной керамике оксида бериллия и нитрида алюминия, а также на изделиях из титана и других металлов.

Дополнительно ученые создали математическую модель, обеспечивающую 95% точности достижения заданной толщины металлизированного слоя. Численные модели понятным образом демонстрируют распределение температуры в металле при прохождении вихревых токов. Это позволяет прогнозировать скорость формирования покрытия заданной толщины в зависимости от исходного металла.

Отмечается, что разработанная технология является энергоэффективной: потребляемая мощность в процессе напыления не превышает 10 кВт, что сопоставимо с энергозатратами четырех включенных электрочайников. Кроме того, такая методика требует использования вакуумных насосов, которые гораздо дешевле по сравнению с теми, что необходимы при классических методах осаждения.

По словам научного сотрудника НИЦ «Конструкционные керамические материалы» НИТУ МИСИС Вероники Суворовой, новый метод упрощает и удешевляет металлизацию керамики, так как работает при низком вакууме и не требует высокотемпературной обработки изделий.

— Это предоставляет возможности для массового выпуска термостойких керамико-металлических компонентов в микроэлектронике (подложки микросхем, сенсоры), аэрокосмической отрасли (сопла двигателей, турбинные лопатки) и энергетике, где нужны материалы с высокой теплопроводностью и способностью выдерживать экстремальные нагрузки, — подчеркнула эксперт.

В то же время при расширении применения этой технологии к крупногабаритным изделиям появляются вопросы, связанные с конструкцией установки, отметил кандидат химических наук и сотрудник физического факультета ИТМО Лев Логунов. Увеличение размеров кольцевого испарителя приведет к существенному росту силы тока и мощности, что ухудшит эффективность и равномерность нанесения покрытия.

— Для мелких изделий, таких как компоненты микроэлектроники и сенсорные элементы, технология выглядит весьма перспективной, — добавил он.

Метод нужно дополнительно проверить на стабильность качества и экономическую эффективность, отметил директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ имени Н.Э. Баумана Евгений Александров. Помимо прочности сцепления металла и керамики важно минимизировать дефектность слоя.

Результаты работы, финансировавшейся грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Ceramics International.