Созданные в МИСиС «умные» покрытия защитят ракеты от космического мусора
Износостойкое прозрачное покрытие Ta-Si-N (тантал — кремний — азот) для защиты солнечных батарей космических аппаратов от ударов микрометеороидов и всякого внеземного мусора, а также оптики космической и авиационной техники, разработали ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», 1 сентября сообщает газета «Известия».
Новые материалы российских ученых от полутора до пяти раз устойчивее к внешнему воздействию, чем применяемые в настоящее время для этих целей, сообщают разработчики.
Однако эксперты считают, что разработчикам еще предстоит доказать конкурентоспособность их продукта по сравнению с представленными на рынке и уже работающими решениями по комбинированной защите аппаратуры от космического излучения и микрочастиц.
Столкновения с микрометеороидами в первую очередь разрушают фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) солнечных батарей. В настоящее время для их защиты используются тонкие стекла, которые, во-первых, недостаточно прочны, а во-вторых, утяжеляют сами батареи.
Более эффективно защитить от разрушающего воздействия оптические устройства (иллюминаторы, ФЭП, солнечные коллекторы и др.) можно с помощью износостойкого покрытия Ta-Si-N, которое разработали в МИСиС, так как, кроме прочности, оно имеет высокий коэффициент пропускания — до 80–90%.
Результаты исследования ученые представили в статье «Влияние газового соотношения Ar/N2 на структуру и свойства покрытий Ta-Si-N, полученных магнетронным распылением мишени TaSi2», опубликованной в журнале Surfaces and Interfaces.
Завлабораторией «In situ диагностика структурных превращений» Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (НУЦ СВС) профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ «МИСиС» Филипп Кирюханцев-Корнеев рассказал о свойствах нового материала:
«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. Это делает их использование перспективным для увеличения срока службы и эксплуатационных характеристик таких объектов, как ФЭП солнечных батарей, детали оптических устройств и компоненты лазерной техники».
Для получения покрытия Ta-Si-N исследователями использовалась технология магнетронного распыления в вакууме. Столкновения электронов с атомами рабочего газа в этом случае приводят к образованию плазмы над поверхностью катода. При этом положительные ионы аргона, возникающие при разряде, ускоряются в направлении катода, бомбардируют его поверхность, выбивая из него атомы, которые затем переносятся и осаждаются на изделии.
Требуемые оптические характеристики в этом случае получаются за счет манипулирования параметрами осаждения покрытий, в том числе парциального давления реакционного газа. Атомы азота вступают в реакцию с танталом и кремнием, и образуется износостойкий оптически прозрачный слой с аморфной структурой, пояснила младший научный сотрудник той же лаборатории Алина Сытченко.
Уникальное сочетание качеств нового покрытия Ta-Si-N, полученного в МИСиС, характеризуется высоким оптическим коэффициентом пропускания, износостойкостью, термической стабильностью в диапазоне до 1200 °С, показателем преломления в диапазоне 2,0–2,5, а также стойкостью к окислению.
Заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ Андрей Зенкевич высоко оценил проведенное учеными МИСиС детальное исследование взаимосвязи структурных, оптических и трибологических (износостойкость) свойств тонкопленочных покрытий Ta-Si-N, так как с его помощью стало возможным рассчитать оптимальную для получения наилучших функциональных свойств концентрацию азота в покрытии.
Однако он подчеркнул предстоящее еще разработчикам решение задачи — доказать «конкурентоспособность» нового материала по сравнению с уже известными и широко применяемыми в космическом машиностроении.
В настоящее время специалисты МИСиС ищут пути для улучшения свойств новых покрытий и совершенствования технологии их осаждения. Они считают, что их текущие наработки имеют большое значение для развития отрасли бескислородных оптических покрытий.
