Молодой ученый Южного федерального университета (ЮФУ) разработал новый компьютерный метод, позволяющий с высокой точностью прогнозировать механические характеристики современных покрытий. Основой инновационного подхода стали методы молекулярной динамики, которые уже успешно применены для анализа углеродных покрытий на никелевых подложках.

История разработки началась несколько лет назад с создания методики расчета твердости покрытий. Кандидат физико-математических наук Юрий Русалев — инженер фронтирной лаборатории рентгеноспектральной нанометрологии Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ — проявляет особый интерес к углеродным покрытиям. Такие слои не только существенно улучшают механические свойства материалов, снижая коэффициент трения и увеличивая износостойкость, но нередко придают изделиям эстетичный вид.

Многолетние исследования позволили молодому ученому создать уникальный инструмент — метод компьютерного моделирования процесса наноиндентирования, который имитирует стандартную процедуру измерения твердости материала. В классических испытаниях алмазный индентор (игла определенной формы) внедряется в поверхность материала, а оборудование регистрирует зависимость между приложенной силой и глубиной проникновения. Новая методика позволяет повторить этот процесс виртуально: цифровой аналог индентора «вдавливается» в модель покрытия, что дает точные данные о его свойствах, исключая необходимость дорогостоящих лабораторных экспериментов. Все симуляции проводились в программном пакете Lammps — одной из ведущих платформ для молекулярно-динамического моделирования.

Существенным достижением стало использование данной компьютерной методики исследователями Уфимского университета науки и технологий для изучения углеродных напылений на никеле. Специалисты смогли подробно проанализировать процесс разрушения покрытия под нагрузкой, вычислить ключевые параметры и исследовать механизмы образования трещин. Подобные данные критически важны для проектирования более совершенных покрытий.

Юрий Русалев отмечает, что наибольший практический интерес вызывают многослойные композитные системы. Например, сочетание железной основы, никелевого промежуточного слоя и внешнего углеродного напыления демонстрирует превосходные свойства: железо придает прочность, никель защищает от коррозии, а углерод не только дополнительно улучшает антикоррозионные характеристики, но и втрое увеличивает твердость по сравнению с чистым никелем. Причем все эти преимущества достигаются без значительного увеличения массы благодаря тонкослойному нанесению.

Подобные инновационные покрытия уже находят применение в самых разных сферах — от тяжелого машиностроения, где они защищают элементы амортизаторов и других механизмов от износа, до ювелирной отрасли. К примеру, известны премиальные часы Casio с DLC-покрытием (Diamond-Like Carbon). Специальные покрытия востребованы даже в спортивном инвентаре, например, в велосипедных вилках, где они заметно снижают трение и увеличивают срок службы деталей.

С экономической точки зрения использование таких функциональных покрытий оказывается гораздо выгоднее, чем производство изделий из дорогих коррозионно-стойких материалов. Новый метод компьютерного моделирования открывает широкие перспективы для ускоренной разработки и оптимизации защитных покрытий с заданными характеристиками для самых разных отраслей промышленности. В настоящее время команда ЮФУ работает над адаптацией своей методики для новых видов покрытий и расширением сфер применения технологии.

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