Для этого был создан уникальный инструмент – алмазный индентор, покрытый слоем синтетического монокристаллического алмаза толщиной почти четыре микрона. Используя мощь синхротронного излучения во французском Гренобле (ESRF), исследователи сканировали зону контакта лучом диаметром всего 75 нанометров. Это позволило зафиксировать более 37 тысяч дифракционных картин и построить детальные карты того, как материал сопротивляется давлению в реальном времени.
Эксперимент показал поразительную разницу между монолитными и многослойными структурами. В однослойной керамике напряжения достигали критических значений, провоцируя зарождение трещин у основания. Однако чередование слоев нитрида циркония (ZrN) с прослойками аморфного сплава ZrCu изменило правила игры. Мягкие металлические пленки сработали как микроскопические амортизаторы. Они «экранировали» передачу удара от слоя к слою, распределяя деформацию по большему объему. Пиковые сжимающие напряжения снизились, а растягивающие силы, разрывающие материал, практически исчезли. В итоге покрытие рассеяло около трети упругой энергии через пластическую деформацию интерфейсов, не позволив ей пойти на разрушение структуры.
«Это не просто прорыв в разрешении – мы даем инженерам способ прямого определения напряжений на уровне отдельных шероховатостей в реальном контакте, то есть такой инструментарий, о котором могли лишь мечтать Буссинеск, Герц, а также Гринвуд и Вильямсон», – прокомментировал Александр Корсунский.
Результаты работы опубликованы в журнале Communications Materials. Теперь инженеры могут проектировать сверла, лопатки турбин и медицинские импланты, опираясь на точные физические модели, что позволит увеличить ресурс службы изделий в несколько раз.
