Ученые Университета МИСИС разработали новое износостойкое оптически прозрачное покрытие для защиты солнечных батарей космических аппаратов и элементов оптических устройств авиационной техники. Нанесение слоя Ta-Si-N (тантал-кремний-азот) позволит решить глобальную проблему, связанную с воздействием частиц космического мусора и микрометеороидов на космические аппараты.
Интенсивное разрушение от столкновений испытывают в космосе фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) солнечных батарей. Для защиты ФЭП от воздействия микрочастиц широко применяются тонкие стёкла. Однако их применение ограничено низкими прочностными характеристиками, такими как твёрдость и вязкость разрушения, а также они заметно утяжеляют солнечные батареи. Защитить оптические устройства (иллюминаторы, ФЭП, солнечные коллекторы и др.) от разрушающего воздействия можно с помощью износостойкого покрытия Ta-Si-N, обладающего высоким коэффициентом пропускания до 80-90%. Подробно результаты исследования описаны в международном научном журнале Surfaces and Interfaces (Q1).
«Покрытия в системе Ta-Si-N превосходят известные оптические полупроводниковые оксидные покрытия по скорости роста в 2-7 раз и по стойкости к воздействию абразивных частиц в 1,5-5 раз, что делает их использование перспективным для увеличения срока службы и эксплуатационных характеристик таких объектов, как фотоэлектрические преобразователи солнечных батарей, детали оптических устройств и компоненты лазерной техники», — отметил д.т.н. Филипп Кирюханцев-Корнеев, заведующий лабораторией «In situ диагностика структурных превращений» Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСИС-ИСМАН (НУЦ СВС), профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС.
Покрытия Ta-Si-N были получены в вакууме по технологии магнетронного распыления, когда в результате столкновения электронов с атомами рабочего газа над поверхностью катода образуется плазма. Положительные ионы аргона (Ar+), образующиеся в разряде, ускоряются в направлении катода, бомбардируют его поверхность, выбивают атомы, которые затем переносятся и осаждаются на изделии. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№ 19-19-00117-П).
«Специфические оптические характеристики получаются за счёт гибкого управления параметрами осаждения покрытий, в том числе парциального давления реакционного газа. Атомы азота вступают в реакцию с танталом и кремнием, образуя износостойкий оптически прозрачный слой, обладающий аморфной структурой», — прокомментировала младший научный сотрудник лаборатории «In situ диагностика структурных превращений» НУЦ СВС Университета МИСИС Алина Сытченко.
Покрытия в системе Ta-Si-N обладают уникальным сочетанием качеств и характеризуются высоким оптическим коэффициентом пропускания, износостойкостью, термической стабильностью до 1200°С, показателем преломления в диапазоне 2.0-2.5, а также стойкостью к окислению. Улучшенные свойства обеспечиваются за счет высокой объёмной доли аморфной фазы на основе нитрида кремния (a-SiNx), а также аморфной структуры с отсутствием границ зерен, служащих центрами рассеяния света и каналами ускоренной диффузии кислорода.
Ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова отметила: «Аэрокосмическая отрасль — одна из самых высокотехнологичных и наукоемких в экономике России, ее развитие является задачей национального масштаба. Ученые Университета МИСИС на протяжении ряда лет ведут разработки для космической промышленности. Исследователи вуза создают новые материалы с заданными свойствами для использования в экстремальных условиях, разрабатывают прорывные технологии, связанные с освоением космоса, производством и эксплуатацией космических аппаратов различного назначения. Износостойкое покрытие, созданное нашими учеными, защитит оптические элементы и улучшит функциональные характеристики аэрокосмических летательных аппаратов».
В настоящий момент ученые работают над улучшением свойств покрытий и технологии их осаждения. По их мнению, текущие наработки имеют большое значение для развития отрасли бескислородных оптических покрытий. Представленное исследование является продолжением ранее начатых работ по созданию эрозионностойких и просветляющих оптических покрытий, полученных при магнетронном распылении керамических катодов. Впервые эффект «оптической прозрачности» был обнаружен авторами в пленках Zr-B-N (цирконий-бор-азот) и описан в научном журнале Surface and Coatings Technology (Q1).
__________
Подписывайтесь на наш канал Дзен, чтобы первыми читать новые статьи. Спасибо, что читаете нас, ставьте лайк и следите за следующими публикациями!