Разработана компьютерная методика, позволяющая с высокой точностью прогнозировать механические свойства современных покрытий
Молодой ученый Южного федерального университета представил новую компьютерную методику, позволяющую с высокой точностью прогнозировать механические свойства современных покрытий. Разработанный подход основан на методах молекулярной динамики и уже успешно применен для анализа углеродных покрытий на никелевой подложке.
Все началось несколько лет назад с разработки методики расчета твердости покрытий. Особый интерес для инженера фронтирной лаборатории рентгеноспектральной нанометрологии Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, к. физ.-мат. наук Юрия Русалева в этих исследованиях представляют углеродные покрытия, которые не только значительно улучшают механические свойства материалов - снижают трение и повышают износостойкость, но и часто обладают привлекательным внешним видом.
Так, после нескольких лет исследований в этой области молодой ученый создал методику, особенностью которой является возможность компьютерного моделирования процесса наноиндентирования - стандартного метода исследования твердости материалов. В традиционных экспериментах алмазная игла специальной формы (индентор) вдавливается в материал, а прибор фиксирует зависимость прилагаемой силы от глубины проникновения. Ученые смогли воспроизвести этот процесс в цифровом формате, создав виртуальный аналог индентора, что позволяет получать точные данные о свойствах покрытий без дорогостоящих лабораторных испытаний. Работы велись в программе Lammps - свободный пакет для классической молекулярной динамики.
Важным достижением стало применение этой методики коллегами из Уфимского университета науки и технологий для исследования углеродного напыления на никеле. В ходе работы удалось детально изучить процесс разрушения покрытия под нагрузкой, рассчитать его ключевые свойства и провести анализ образования трещин. Эти данные имеют принципиальное значение для разработки новых, более совершенных покрытий.
"Особый практический интерес представляют многослойные композитные системы. Например, комбинация из железной основы, никелевого промежуточного слоя и верхнего углеродного напыления. Железо обеспечивает основные механические свойства, никель защищает от коррозии, а углеродное покрытие не только дополнительно повышает коррозионную стойкость, но и увеличивает твердость в три раза по сравнению с чистым никелем. При этом все преимущества достигаются при минимальном увеличении массы благодаря тонкослойному нанесению", - отмечает Юрий Русалев.
Такие инновационные напыления уже находят применение в самых разных областях - от тяжелой промышленности, где защищают от износа ответственные детали в амортизаторах и других механизмах, до ювелирной отрасли. Ярким примером являются премиальные часы Casio с DLC-покрытием (Diamond-Like Carbon). Даже в спортивном оборудовании, например в велосипедных вилках, специальные покрытия значительно снижают трение и повышают износостойкость.
С экономической точки зрения применение таких функциональных покрытий оказывается значительно выгоднее, чем использование более дорогих коррозионностойких материалов в качестве основы. Разработанная методика компьютерного моделирования открывает новые возможности для ускоренной разработки и оптимизации защитных покрытий с заданными свойствами для различных отраслей промышленности.
В настоящее время исследовательская группа продолжает работу по адаптации методики для других типов покрытий и расширению возможных сфер применения этой перспективной технологии.
Источник:
