Физические методы формирования поверхностных слоёв основаны на переносе материала из исходного источника на обрабатываемую поверхность без химического взаимодействия в процессе переноса. К основным физическим методам относятся испарение, напыление, лазерное осаждение и ионная имплантация.
Испарение и конденсация предполагают нагрев исходного материала до образования паровой фазы, которая конденсируется на подложке, формируя тонкую пленку. Этот процесс позволяет получать покрытия высокой чистоты и контролируемой толщины, однако ограничен температурной стойкостью подложки и материалом источника.
Напыление из расплава и газовой фазы (PVD – Physical Vapor Deposition) включает термическое, электронно-лучевое и магнетронное распыление. Магнетронное распыление обеспечивает равномерное осаждение на больших площадях и контроль структуры покрытия, включая плотность и ориентацию кристаллитов.
Лазерное осаждение (Laser Ablation) представляет собой высокоэнергетическое удаление материала с мишени лазерным импульсом и последующее осаждение на подложке. Метод позволяет наносить сложные композиционные покрытия с сохранением стехиометрии материала.
Ионная имплантация и плазменная обработка поверхности обеспечивают модификацию верхних атомных слоев подложки, увеличивая адгезию покрытия и улучшая механические, коррозионные и трибологические свойства.
Химические методы основаны на химическом взаимодействии реагентов на поверхности подложки, приводящем к формированию покрытия.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD – Chemical Vapor Deposition) обеспечивает получение высококачественных керамических и металлических покрытий. Газовые прекурсоры реагируют на подогретой подложке, образуя твердый слой и выделяя побочные продукты, которые удаляются из зоны реакции. CVD позволяет контролировать состав, плотность и морфологию покрытия, включая создание наноструктурированных слоёв.
Электрохимическое осаждение применяется для металлических и полимерных покрытий. Процесс протекает в электролите под действием электрического тока, который вызывает восстановление ионов на поверхности подложки. Метод позволяет получать однородные покрытия на сложных геометрических формах с контролем толщины и структуры.
Химическая модификация поверхности включает формирование самоорганизующихся монослоев и функциональных органических слоёв, которые могут улучшать адгезию последующих покрытий или изменять поверхностную энергию.
Современные покрытия часто комбинируют физические и химические методы для достижения оптимальных свойств. Комбинированные покрытия могут включать металлический слой для прочности, керамический — для коррозионной стойкости, и органический — для снижения трения.
Нанокомпозитные покрытия состоят из матрицы и наночастиц, которые обеспечивают улучшенную твердость, износостойкость, термостойкость и биосовместимость. Наноструктура покрытия формируется контролем параметров осаждения, например, энергией ионного потока или концентрацией прекурсоров.
Многофункциональные покрытия могут включать антибактериальные, гидрофобные или фотокаталитические свойства, что достигается внедрением активных добавок или структурированием поверхности на наномасштабе.
Ключевые параметры покрытий включают толщину, адгезию, плотность, морфологию, кристалличность и химический состав. Контроль осуществляется с помощью методов:
Оптимизация процессов нанесения и контроля позволяет создавать покрытия с заранее заданными свойствами для промышленности, микроэлектроники, биомедицины и энергетики.
Свойства покрытия сильно зависят от микро- и наноструктуры подложки. Поверхности с высокой шероховатостью обеспечивают лучшую адгезию, тогда как гладкие поверхности способствуют формированию однородных слоев. Предварительная обработка подложки (химическая, плазменная или механическая) позволяет управлять ростом кристаллитов, пористостью и ориентацией слоёв.
Контроль интерфейса между покрытием и подложкой является критическим фактором для долговечности и стабильности покрытия при температурных и механических нагрузках.