Уникальные нанопокрытия защитят металлы от коррозии в 3000 раз лучше аналогов

Российские ученые разработали технологию, позволяющую защитить металлические инструменты и детали от коррозионного, ударного и высокотемпературного воздействия. В основе технологии – многослойные нанопокрытия, разработанные в Пермском национальном исследовательском политехническом университете.

Как возникает коррозия?

Коррозия металлов – крайне опасная и очень дорогостоящая проблема. Она приводит к обрушению зданий и мостов, прорыву нефтепроводов и экологическим катастрофам. От коррозии могут пострадать электрические контакты – в таком случае возгорания электроприборов и пожаров не миновать.

Наиболее распространенные виды коррозии возникают в результате химических реакций. Одна из них – окисление атомов на металлической поверхности. То есть на них, например, действуют молекулы воды. Из школьного курса химии нам известно, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Кислая среда в этом случае повреждает поверхность. Большинство металлов подвержены этим процессам: они легко окисляются и разрушаются.

Вредную коррозию можно предотвратить разными способами. Электрические токи могут образовывать защитные пленки на металлах. Некоторые металлы более стабильны в определенных средах, чем другие – так ученые изобрели сплавы для улучшения их характеристик в сложных условиях. Самый известный вид такого сплава – нержавеющая сталь. Некоторые металлы можно обработать лазером, чтобы придать им такую структуру, которая будет устойчива к коррозии. Например, сталь покрывают более активным веществом – цинком. Он берет весь удар на себя и коррозирует, защищая железо.

Однако в некоторых случаях вышеперечисленные способы могут не помочь: какие-то металлы просто не подходят для защиты, а иногда они защищают материал, но недолго. Ученые постоянно ищут более совершенные средства для защиты металлов, ведь коррозия порой приводит к чудовищным последствиям.

Катастрофу в России запомнил весь мир

В конце лета 1994 года на территории республики Коми случилась одна из самых страшных экологических катастроф в новейшей истории России. В результате прорыва проржавевшего нефтепровода недалеко от Усинска на поверхность земли просочились сотни тысяч тонн нефти. Она уничтожила огромные территории, отравив местные реки и попав в Северно-Ледовитый океан. Чтобы устранить чудовищные последствия этой катастрофы, потребовалось почти 15 лет; масштаб был таким огромным, что авария оказалась в Книге рекордов Гиннесса как крупнейший разлив нефти на суше в истории.

Первые прорывы на 30-километровом участке подземного нефтепровода “Харьяга — Возей — Головные сооружения” начались ещё весной. Однако на это закрывали глаза. И уже в августе за три дня по всей длине нефтепровода образовалось еще 50 мест прорыва. Всё происходило в труднодоступной болотистой местности, что сильно осложнило и реагирование на аварию, и дальнейшую ликвидацию последствий. Но проблема была не только в этом: в течение ещё двух месяцев после катастрофы нефтепровод продолжал работать. Нефтяники уверяли — его не так просто было остановить. Масштаб катастрофы оказался невероятным.

Об опасности разрушения этого нефтепровода предупреждали с середины 1988 года. В результат полномасштабного обследования на нижней части трубы эксперты обнаружили коррозию. Заключение специалистов и расчёт срока службы нефтепровода был однозначным: трубе осталось служить максимум 20 месяцев, то есть чуть больше полутора лет. Но экспертов слушать не хотели и просто понадеялись на лучшее: трубопровод эксплуатировали до конца 1994 года, пока не случилось страшное.

После полномасштабного разлива нефти России даже пришлось брать кредит у Всемирного банка на ликвидацию последствий катастрофы. Стране выделили кредит порядка $100 млн. Москва взяла деньги по настоянию Всемирного банка – тогда уже все страны понимали международный масштаб катастрофы. Кредит помог: начались полномасштабные и активные работы по устранению последствий экологической катастрофы.

Почему вмешался Всемирный банк? Через реки Колву и Печору нефть попала в океан. Течением её несло на запад, отмечались превышения по нефтепродуктам у берегов Норвегии. В Европе забили тревогу и начали привлекать международные организации.

Да, конечно, разливы случались и раньше, но не такого масштаба. Нужно представлять, как это выглядело — по реке плыла нефть слоем до 6 см. Из-за ЧП пострадало не только рыболовство, но и кормовая база скота, загрязнились подземные воды, был нанесен удар по перелетным птицам, которые гнездятся на болотах, а к нам прилетают птицы из Африки, с Ближнего Востока, в том числе краснокнижные.

Решение найдено

Чтобы трагедия не повторилась, коллектив ученых под руководством профессора Пермского политехнического университета Анны Каменевой создал многослойные покрытия на основе нитридов титана, циркония и алюминия. Ученые провели испытания защитных свойств покрытий в агрессивной среде, которая вызывает коррозию – в растворах хлорида натрия (соляного раствора) и гидроксида натрия (едкой щелочи).

Результаты исследования показали, что покрытие на основе нитрида титана, которое распылили на металл, снижает коррозию более чем в 2500 раз. Другой состав, на основе нитрида циркония, замедляет коррозию более чем в 3000 раз.

По словам ученых, многослойное покрытие с чередующимися слоями нитрида титана и нитрида циркония замедляет коррозию и повышает степень защиты от нее в 800 раз. Аналогов одновременной защиты деталей от коррозии в различных агрессивных средах, которые были бы настолько эффективны, больше нет.

Ученые на протяжении 35 лет разрабатывают технологии упрочнения и защиты деталей в горно- и нефтедобывающей, инструментальной и ремонтной промышленности, а также в машиностроении и авиастроении. Покрытия, которые специалисты «подстраивают» под реальные условия применения, внедрили на десяти предприятиях Пермского края.

Уникальная защита металлов

Особенность нового покрытия – в его наноструктуре.

Наноструктуры это уникальные материалы, которые состоят из частиц крошечного размера. Изменяя состав и структуру наноматериалов, можно получать физические свойства, недостижимые для обычных кристаллов и пленок. Дело в том, что решетку из наночастиц гораздо проще подстроить под определенные задачи — например, сделать ее прочнее.

Новые наноструктурированные многослойные покрытия позволяют изготавливать более качественные материалы. Ученые формируют на поверхности изделий многослойные нанопокрытия, которые улучшают их износостойкость, защищают материал от воздействия тепла, ударов и коррозии, образования трещин. По износостойкости и защите от коррозии они превосходят зарубежные и российские аналоги.

Технологии разработчиков позволяют заранее задать структуру и свойства слоев многослойных покрытий. Структуры, которые обладают несколькими свойствами, одновременно улучшают характеристики деталей и защищают их от вредного воздействия. Уникальность технологии – в универсальности их адаптирования под различные индивидуальные заказы предприятий.

Разработка пермских ученых найдет применение в машиностроении, инструментальной и ремонтной сферах, в авиастроении, добыче нефти, а также в других сферах.

Фото: pixabay.com

Автор: Никифорова Анастасия