Ученые НИТУ МИСИС на 17% увеличили прочность защитных покрытий для электроконтактов

Медные контакты — сердце многих электрических устройств, от бытовых розеток до промышленных токосъемников. Однако в местах постоянного скольжения металл быстро изнашивается, особенно при локальном перегреве. Чтобы продлить жизнь деталям, на них наносят тонкие керамико-металлические покрытия — твердые, но почти такие же проводящие, как чистая медь. Проблема в том, что такие покрытия плохо сцепляются с медью из-за разницы в коэффициентах линейного теплового расширения (ЛКТР). При нагреве во время нанесения медь и покрытие ведут себя по-разному, возникают микротрещины и несплошности.

Два пути к прочному сцеплению

Как объясняет ведущий инженер научного проекта кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСИС Дмитрий Белов, большая разница в ЛКТР меди и нитрида титана приводит к тому, что в процессе осаждения материалы расширяются и сжимаются с разной скоростью. В результате покрытие становится несплошным и не может выполнять защитную функцию. Ученые предложили два альтернативных решения и сравнили их.

Первый способ — изменить состав покрытия, добавив в него больше металлической компоненты. Тогда его ЛКТР приближается к медному, но страдает твердость: покрытие становится более пластичным и менее износостойким. Второй способ — предварительная обработка самой медной подложки мощным импульсным пучком ионов титана. Это энергетическое воздействие меняет структуру тонкого приповерхностного слоя, формируя переходную зону, которая служит «фундаментом» для будущего покрытия.

Лучший результат — без потери твердости

«Анализ микроструктуры и распределения элементов подтвердил формирование модифицированного приповерхностного слоя толщиной до нескольких десятков нанометров, в котором титан частично растворяется в меди. Это способствует улучшению диффузионного взаимодействия между покрытием и подложкой», — отмечает старший преподаватель той же кафедры Александр Демиров.

Именно второй подход оказался наиболее эффективным: прочность сцепления покрытия с подложкой увеличилась на 17%. При этом покрытие сохранило свою твердость и износостойкость, что особенно важно для применения в токосъемниках и других узлах трения. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Materials Letters.

В перспективе новая технология позволит значительно увеличить срок службы медных электропроводящих компонентов, которые постоянно подвергаются трению и нагреву. Это может снизить затраты на замену деталей в промышленности и повысить надежность электрических соединений. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда.