Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В первом году выполнения проекта были выполнены следующие работы. 1. С позиций физики плазмы и электрофизики проведена оптимизация режимов работы используемых в проекте электрофизических установок, генерирующих потоки плазмы и импульсно-периодических высокоинтенсивных электронных пучков и азотирования с параметрами, обеспечивающими термокинетические условия для получения композиционных покрытий системы Ag-SnO2-In2O3 с регламентированной структурой. 2. В рамках физического материаловедения выявлены и проанализированы закономерности электровзрывного напыления и электронно-пучкового модифицирования с последующим азотированием структурно-фазового состояния покрытий системы Ag-SnO2-In2O3, проведены исследования структурно-фазовых состояний покрытий, формирующихся в широком интервале значений параметров внешнего воздействия (длительности импульса воздействия, плотности энергии плазменных струй и пучков электронов, частоты их следования и количества импульсов воздействия, времени и температуры азотирования). Методами металлографии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа проведены исследования фазового и элементного состава, дефектной субструктуры покрытий и переходного слоя между покрытием и основой. 3. С позиций механики деформируемого твердого тела проведен комплексный анализ физико-механических и трибологических свойств композиционных покрытий системы Ag-SnO2-In2O3 (микро- и нанотвердость, модуль Юнга, износостойкость, коэффициент трения, электроэрозионная стойкость в условиях дуговой и искровой эрозии, электропроводность, электрическое сопротивление, износостойкость в условиях сухого трения), обоснованы критерии выбора практически значимых композиций на основе оксидов SnO2, In2O3 и серебра и оптимизированы режимы электровзрывного напыления, электронно-пучковой обработки и азотирования. Говоря упрощенно, целью первого года выполнения проекта являлся анализ структуры и свойств покрытия состава SnO2-In2O3-Ag-N, сформированного на меди комплексным методом, сочетающим электровзрывное напыление, облучение импульсным электронным пучком и последующее азотирование в плазме газового разряда низкого давления. Полученные научные результаты. 1. Проанализированы структура и свойства покрытия состава SnO2-In2O3-Ag-N, сформированного на меди комплексным методом, сочетающим электровзрывное напыление, облучение импульсным электронным пучком и последующее азотирование в плазме газового разряда низкого давления. 2. Показано, что толщина покрытия составляет ≈ 100 мкм. 3. Износостойкость медного образца с нанесенным покрытием превышает износостойкость меди без покрытия в ≈ 2,8 раза. Коэффициент трения образцов с покрытием составляет μ = 0,479, что меньше коэффициента трения меди без покрытия μ = 0,679 в ≈1,4 раза. 4. Установлено, что твердость покрытия увеличивается по мере приближения к подложке и достигает максимального значения ≈1400 МПа (твердость подложки 1270 МПа). 5. Методами микрорентгеноспектрального анализа установлено, что основным химическим элементом покрытия является серебро, в значительно меньшем количестве присутствуют медь, олово, индий, кислород и азот. Методами рентгенофазового анализа установлено, что основными фазами покрытия являются твердые растворы на основе меди и серебра. 6. Методами просвечивающей и сканирующей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг установлено, что покрытие состава SnO2-In2O3-Ag-N, сформированное на меди, имеет многофазный состав и сформировано кристаллитами твердых растворов на основе меди и на основе серебра субмикронных размеров и включениями окислов олова, размеры которых изменяются в пределах (150-200) нм. 7. Определены зависимости контактного напряжения парных контактов при замыкании одной фазы, при обрыве одной фазы и нулевом токе, а также при обрыве одной фазы и максимальном токе. При замыкании одной фазы, обрыве одной фазы и нулевом токе, а также при обрыве одной фазы и максимальном токе время, необходимое для отключения контактов составляет 20–25 мкс. Приведенные значения времени отключения соответствуют современным коммутационным приборам, предлагаемым на рынке. Сформированное покрытие системы SnO2-In2O3-Ag-N обеспечивает быстрое гашение дуги при размыкании электрических контактов. Это открывает перспективу применения таких покрытий в быстродействующих коммутационных аппаратах. 8. Причиной высоких электроэрозионной стойкости, электропроводности, твердости, модуля Юнга, износостойкости и коэффициента трения покрытия является формирование композиционно наполненной структуры на основе серебряной матрицы с включениями высокотвердых высокомодульных соединений. 9. Электроэрозионная стойкость покрытий отвечает требованиям стандартов. Число циклов включения/отключения до полного разрушения покрытий составляет 7000. Электрическое сопротивление покрытий при этом не превышает 15 мкОм. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту. 1. https://www.10kanal.ru/news/society/174222.html 2. https://www.10kanal.ru/programm/samoe-vremya-den/mirovoj-uroven-monografii-uchenyh-sibgiu-popali-v-prestizhnye-izdanija 3. http://novotv.ru/cast/pervaya_studiya/98740826

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. С позиций физики плазмы и электрофизики проведена оптимизация режимов работы используемых в проекте электрофизических установок, генерирующих потоки плазмы и импульсно-периодических высокоинтенсивных электронных пучков с параметрами, обеспечивающими термокинетические условия для получения композиционных покрытий системы Ag-Ni-C регламентированной структурой. 2. В рамках физического материаловедения выявлены и проанализированы закономерности электровзрывного напыления и электронно-пучкового модифицирования с последующим азотированием структурно-фазового состояния покрытий системы Ag-Ni-C, проведены исследования структурно-фазовых состояний покрытий, формирующихся в широком интервале значений параметров внешнего воздействия (длительности импульса воздействия, плотности энергии плазменных струй и пучков электронов, частоты их следования и количества импульсов воздействия, времени и температуры азотирования). Методами металлографии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа проведены исследования фазового и элементного состава, дефектной субструктуры покрытия и переходного слоя между покрытием и основой. 3. С позиций механики деформируемого твердого тела проведен комплексный анализ физико-механических и трибологических свойств композиционных покрытий (микро- и нанотвердость, коэффициент трения, электроэрозионная стойкость, электропроводность, износостойкость в условиях сухого трения), обоснованы критерии выбора практически значимых композиций на основе соединений металлов и оптимизированы режимы электровзрывного напыления, электронно-пучковой обработки и азотирования. Говоря упрощенно, второго года выполнения проекта являлся анализ структуры и свойств покрытия состава Ni-C-Ag-N, сформированного на меди комплексным методом, сочетающим электровзрывное напыление, облучение импульсным электронным пучком и последующее азотирование в плазме газового разряда низкого давления. Полученные научные результаты. Методами современного физического материаловедения проведены исследования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры, трибологических, механических и электрофизических свойств покрытий системы Ni-C-Ag-N контактах мощных электрических сетей. 1. Комплексным методом, сочетающим электровзрывное напыление, облучение импульсным электронным пучком и последующее азотирование в плазме газового разряда низкого давления, на меди сформированы покрытия состава Ni-C-Ag-N толщиной ≈ 90 мкм. 2. Износостойкость медного образца с нанесенным покрытием превышает износостойкость меди без покрытия в ≈ 1,6 раза. Коэффициент трения образцов с покрытием (μ = 0,50) меньше коэффициента трения меди без покрытия (μ = 0,679) в ≈ 1,35 раза. Установлено, что твердость покрытия увеличивается по мере приближения к подложке и достигает максимального значения ≈1780 МПа (твердость подложки 1300 МПа). 2. Методами микрорентгеноспектрального анализа установлено, что основным химическим элементом покрытия является серебро, в значительно меньшем количестве присутствуют медь, никель, углерод и азот. 3. Методами дифракционной электронной микроскопии установлено, что основными фазами покрытия являются твердые растворы на основе меди и серебра. Выявлены включения нитридов AgN3 и карбонитридов AgCN серебра манометрового диапазона. 4. Увеличение прочностных и трибологических характеристик покрытия относительно медной подложки обусловлено, формированием субмикро- нанокристаллической многофазной структуры. 5. Покрытие Ni-C-Ag-N выдерживает 7000 циклов включения/выключения при испытаниях электромагнитных пускателей на коммутационную износостойкость в режиме AC-3. Сопротивление парного электрического контакта в процессе испытаний во всех трех фазах L1–L3 не превышает 15 мкОм. Время, необходимое для отключения контактов составляет 20–25 мкс. Электропроводность сформированных покрытий составляет 62,0 МСм/м. 6. Оптимальным режимом формирования покрытий следует считать режим электровзрывного напыления при поглощаемой плотности мощности ~ 5,5 ГВт/м2 с использованием взрываемого проводника на основе серебра, никеля и углерода. После чего проводится электронно-пучковая обработка при 17 кэВ, 20 Дж/см2, 200 мкс, 5 имп., 0,3 с-1 и азотирование при 500 град С, 5 часов. 7. Разработанные способы электронно-ионно-плазменного напыления электроэрозионностойких покрытий на основе серебра и упрочняющих фаз, обеспеченные патентной чистотой, использованы для упрочнения электрических контактов различных коммутационных устройств: реле защиты двигателей, реле перекоса фаз и падения напряжения, реле тока, универсального блока защиты электродвигателей, магнитных пускателей и контакторов в условиях ряда промышленных предприятий Кемеровской области – Кузбасса. 8. Осуществлено внедрение результатов исследований в учебный процесс сибирского высшего учебного заведения по нескольким направлениям подготовки бакалавров, магистров и аспирантов.