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, особенность 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.

Результаты исследования, проведенного в рамках реализации стратегического проекта «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов под управлением искусственного интеллекта» программы «Приоритет-2030» ЮФУ (нацпроект «Молодежь и дети»), изложены в научном журнале Surfaces and Interfaces.