Тонкопленочные нанотехнологии в храмовой архитектуре

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 533.9.01

С.В. Борисов

канд. архитектуры, доцент, кафедра «Основы архитектурного

проектирования», ФГБОУ ВПО «Московский архитектурный институт

(государственная академия)»

Н.И. Сушенцов

канд. техн. наук, доцент, заведующий, кафедра «Конструирование

и производство радиоаппаратуры», ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический

университет»

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ В ХРАМОВОЙ АРХИТЕКТУРЕ

Аннотация. Представлены конструктивные особенности установки дугового разряда, использованной в работе для нанесения наноструктурированных тонких пленок нитридов титана и циркония на элементы декоративного убранства храмов. Показан пример применения разработанной технологии при «золочении» купола и Креста Троицкого собора в г. Яранске.

Ключевые слова: наноструктурированные тонкие пленки, установка дугового разряда, элемент декоративного убранства.

S.V. Borisov, Moscow Institute of Architecture

N.I. Sushentsov, Volga State University of Technology

THIN-FILM NANOTECHNOLOGIES IN DECORATION OF ORTHODOX TEMPLES

Abstract. The work includes description of structural peculiarities of the arc discharge unit used for nano-structured thin films of titanium nitride and zirconium for decorative elements of temples. The work provides an example of the developed technology applied for «gold plating» of the dome and the Cross of the Trinity Cathedral in Yaransk.

Keywords: nano-structured thin films, arc discharge unit, decorative element.

Введение. Процесс освоения новых технологий затронул наиболее консервативный вид строительной отрасли - строительство храмов, что обусловлено как экономической и эстетической целесообразностью, так и технологической необходимостью. Высокая потребность в новых храмах и в воссоздании разрушенных требует поиска эффективных проектных решений, которые возможно реализовать, используя недорогие и надежные покрытия, имитирующие золото и повышающие долговечность конструкций. Золото во внутреннем и наружном убранстве храма играет важную роль, являясь символом божественного света. Сверкающее и излучающее свет золото является основой для живописи древних православных икон. В византийских храмах золотой мозаичный фон покрывал сплошным ковром стены и своды. В русских церквях, где мозаику сменила фресковая живопись, золотились царские врата, конструктивные и декоративные элементы иконостасов, изначально одно-, двухъярусных, позже - многоярусных [1, 3]. В архитектуре храма основные элементы, где применяется золочение, - купол и Крест. В России принят шести-восьми конечный Крест, отличающийся от «латинского» верхней и нижней косой перекладиной. Вертикальная стойка и перекладины выполнялись из различных материалов - деревянными, обложенными медью с позолотой, или коваными просечными.

Строительство новых храмов производится на частные пожертвования, при этом государство финансирует, в основном, только реставрацию значимых памятников культуры. По указанной причине необходимо сокращение расходов на возведение и восстановление храмов, не идущее, при этом, в ущерб эстетической составляющей [4]. В настоящее время для покрытия куполов, кре-

стов и других элементов, украшающих храмы, применяют тонкие пленки нитридов титана и циркония (TiN и ZrN), обладающие высокой коррозионно- и износостойкостью. В храме Христа Спасителя в Москве, восстановленном по сохранившимся чертежам и фотографиям, из-за дороговизны работ по золочению, купола и кресты были покрыты TiN, который имеет цвет золота, а по механическим свойствам намного его превосходит.

В настоящей работе рассмотрена техника для нанесения и характеристики наност-руктурированных пленок на основе TiN и ZrN, перспективных для украшения и защиты элементов внешней отделки сооружений.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Формирование пленок. Пленки TiN и ZrN обладают высокой коррозионной стойкостью, твердостью и износостойкостью. TiN (кубическая сингония, пространственная группа Fm3m, температура плавления Тпл = 2947оС, микротвердость ^ = 20 ГПа) устойчив к воздействию кислот, но малоустойчив к воздействию щелочей. ZrN (кубическая сингония, Fm3m, Тпл = 2990оС, ^ = 2,3-2,5 ГПа) устойчив к воздействию кислот и щелочей. TiN имеет цвет насыщенного темного золота (аналог сплава Аи-Си), ZrN - светлого золота (аналог сплава Аи-Ад).

Пленки TiN и ZrN получают методами вакуумных технологий, и их функциональные свойства определяются внутренним строением. Для вакуумных методов получения характерны неравновесные условия формирования покрытий. При покрытии неориентирующих (рентгеноа-морфных и поликристаллических) материалов формирование пленок происходит по нормальному механизму. Преимущественное направление роста пленок определяется атомным строением формируемого материала, а ориентирование пленок относительно обрабатываемого материала - направлением потока пленкообразующих частиц [5, 6]. Полученные пленки имеют волокнистое (столбчатое) строение. Волокна материалов, имеющих кубическую решетку (TiN, ZrN), ориентируются по кристаллографическому направлению <111>, реже <100>, <110>. Так как основная масса конденсирующегося материала поступает в перпендикулярном к подложке направлении, пленки имеют столбчатую структуру с ориентированием волокон перпендикулярно обрабатываемой поверхности. При этом промежуток между аксиально текстурированными волокнами заполняет рентгеноаморфная фаза. Механизм формирования пленки зависит от многих факторов - как управляемых, так и неуправляемых (рабочего давления в камере распыления, температуры обрабатываемого материала и др.).

Среди вакуумных методов формирования тонких пленок с заданной степенью кристалличности (концентрации кристаллической фазы в объеме пленки) и строением кристаллической фазы наиболее широко применяется метод дугового испарения - так называемый метод конденсации с ионной бомбардировкой. Дуговым испарением проще осуществить покрытие деталей сложной геометрической формы при больших расстояниях между распыляемой мишенью и обрабатываемой поверхностью.

Рисунок 1 - а) Вакуумная камера установки дугового разряда ННВ 6,6 И4, б) Внутрикамерная оснастка

В настоящей работе для нанесения наноструктурированных тонких пленок на основе TiN и ZrN на элементы декоративного убранства храмов применялся метод дугового испарения с использованием модернизированной промышленной установки ННВ 6,6 И4 (рис. 1) [7, 8]. Размер вакуумной камеры установки составлял 600*600*600 мм, при этом размер обрабатываемых деталей не должен превышать 100*100*400 мм. Листы из нержавеющей стали (перед покрытием декоративными пленками) сгибали в кольцо. Для осаждения покрытий использовали дуговые испарители, расположенные на боковых стенках вакуумной камеры. Для нанесения покрытий на мелкие фрагменты разработана специальная оснастка, обеспечивающая планетарное движение деталей. Более крупные детали (листы нержавеющей стали размером 1000*600 мм, скрученные в виде кольца) покрывали пленкой, вращая их вокруг центральной оси. Электрический разряд, возникающий в рабочей камере, вакуумированной до давления 10-10-4 Па и ниже, относится к классу так называемых вакуумных дуг или сильноточных разрядов, горящих в парах материала катода, т.е. реализуется так называемая катодная форма вакуумной дуги с интегрально-холодными электродами и эродирующим катодом [9].

Технологический процесс нанесения покрытий включает очистку деталей из нержавеющей стали, изготовленных механической обработкой, состоящей из промывки в ультразвуковой ванне в моющем растворе, после чего - в спиртовом растворе или ацетоне. Изготовление деталей из листа нержавеющей стали (рубка и гибка) проводится без снятия защитной пленки. После загрузки деталей, вакуумную камеру откачивают до давления 10 Па. Детали нагреваются резистивным нагревателем до температуры ~350°С. Детали очищаются в тлеющем разряде: давление Ar-5 Па; напряжение на обрабатываемом материале -1000 В; время обработки 5-10 минут. Очистка деталей в дуговом разряде: ток испарителя 100 А; напряжение на обрабатываемом материале 500-1000 В; время обработки 510 минут до появления свечения деталей. Осаждение покрытия (TiN) с двух испарителей: ток испарителей 100-120 А; напряжение на обрабатываемом материале 200-220 В; давление N2 0,5 Па; время осаждения пленки 15 минут. Охлаждение обрабатываемого материала в атмосфере ^ при давлении 10-50 Па.

Для покрытия куполов, карнизов и других элементов декора применяют нержавеющую сталь 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 08Х18Н10 толщиной 0,7-1,0 мм. Указанная сталь обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошо формуется. После удаления защитной пленки детали покрывают TiN или слоистой структурой на основе TiN. Качество покрытия и адгезия зависят от подготовки обрабатываемой поверхности и температуры процесса нанесения покрытия. Для элементов оформления применяют листы с электрохимической полировкой поверхности. Для покрытия куполов лучше применять листы с матовой поверхностью, так как на большом расстоянии полированная поверхность в зависимости от освещения приобретает цвет от зеркально-золотого до черного.

При нанесении наноструктурированных тонких пленок TiN на элементы декоративного убранства храмов в результате дугового разряда на катоде формируется поток осаждаемого вещества в виде плазменного пучка с высокими степенями ионизации и энергии пленкообразующих частиц. Этот поток конденсируется на обрабатываемой поверхности, образуя пленку. Ионная бомбардировка формируемой пленки оказывает сильное влияние на микроструктуру и строение кристаллической фазы. Пленки получают добавлением реакционного газа (N2) в рабочую камеру, что приводит к возникновению быстропротекающей химической реакции прямого синтеза на поверхности обрабатываемой детали при смешивании активной плазмы материала катода и вводимого в камеру N2. Исследований по определению влияния условий синтеза пленки на эксплуатационные характеристики декоративных элементов храмов не проводилось. Экспериментальным путем добивались высокой адгезии (>10 кгс/мм2) за счет подготовки поверхно-

сти изделия во время осаждения. Подбирали давление N2 в вакуумной камере, чтобы получить заданный заказчикам цвет обрабатываемой поверхности.

Разработка вакуумно-плазменной технологии позволила создать новые составы, например, на основе последовательного чередования слоев TiN и AlN (композиционное покрытие TixAlyN), обладающие высокой твердостью и температурной стойкостью. Применение многослойных и композиционных покрытий значительно увеличивает возможность оптимизации их свойств по сравнению с обрабатываемым материалом. Исследованный элементный и фазовый состав слоистых структур на основе TiN и ZrN свидетельствует о наличии в них сложных нитридов на основе TiN и ZrN для покрытий с содержанием циркония >5 атомных %.

Кресты и другие элементы, имеющие большие размеры, обычно покрывают по частям и затем соединяют дуговой сваркой в отдельных точках. Это уменьшает прочность конструкции. Кроме того, большие детали трудно нагреть до нужной температуры при покрытии. Поэтому покрытия получаются с низкой адгезией. С нашей точки зрения их лучше изготавливать цельными из профиля нержавеющей стали толщиной 3 мм и более. Профили соединяют сваркой в Ar, а элементы украшения и накладки из нержавеющей стали толщиной 1 мм с покрытием TiN крепят винтами из нержавеющей стали к основе. Сочетание цветов металла и золота имеет красивый внешний вид и давно применяется в ювелирной промышленности (Pt-Au). Крест устанавливается на большой высоте и элементы крепления и соединения не видны.

Рисунок 2 - Строение (АСМ) поверхности пленки сформированной на полированном листе нержавеющей стали. Снимки сделаны относительно поверхности пленки: а, б) по нормали; в, г) под углом

Строение пленок. Пленки имеют ярко выраженную текстуру <111>, наличие которой свидетельствует о преимущественной ориентации зерен параллельно поверхности образца плоскостями с минимальной поверхностной энергией. Твердость и модуль упругости покрытий были исследованы на микроиндетометре по методу Оливера и Фарра. Покрытия показывают высокие значения твердости 26-38 ГПа и модуля упругости 480-650 ГПа. Недостатком дугового испарения является наличие в пленке капельной фазы, наблюдаемой с использованием атомно-силового микроскопа (АСМ), приводящей к ухудшению сплошности и коррозионных свойств (рис. 2, 3, комплекс ИНТЕРА Прима).

Рисунок 3 - Строение (АСМ) поверхности пленки ZrN, сформированной на полированном листе нержавеющей стали. Снимки сделаны относительно поверхности пленки: а) по нормали (справа показан выделенный увеличенный фрагмент); б, в) под углом

Исследования механических свойств были проведены с использованием измерительной системы «НаноСкан», построенной на принципах работы АСМ и позволяющей проводить на наноуровне измерения твердости Н и модуля упругости Е в широком диапазоне (Н = 1-100 ГПа, Е ~ 10-1000 ГПа). В настоящей работе приведены наиболее характерные изображения исследуемых типов покрытий, использованных при разработке процесса нанесения наноструктуриро-ванных пленок TiN и ZrN на элементы декоративного убранства храмов, изготовленные из нержавеющей стали (рис. 4, 5). При определении твердости пленок наносились царапины с нагрузкой 500 мкН.

Рисунок 4 - Слоистая структура ^^^-нержавеющая сталь. а) Топография поверхности; б) Карта модуля упругости. в) Профиль сечения царапины

Рисунок 5 - Слоистая структура ^N^0 - нержавеющая сталь. а) Топография поверхности; б) Профиль сечения царапин

Измеренные величины микротвердости слоистых структур представлены в таблице 1. Таблица 1 - Измеренные величины микротвердости слоистых структур

Тип покрытия Модуль Юнга, Е, ГПа Твердость, Н, ГПа

TiN-ZrN (темно-желтый цвет) 345 ± 65 ~4,0

TiN-ZrN (светло-желтый цвет) 335 ± 75 4,0 ± 0,8

Применение пленок. Приведенным выше способом выполнено покрытие куполов, Крестов, декоративных элементов многих храмов. В их числе - купол и Крест колокольни Троицкого собора в городе Яранск, Кировская область, 1857 год, архитектор К.А. Тон (рис. 6, а). Крест Троицкого собора в городе Яранск высотой 3,5 м изготовлен из профиля 3 (рис. 6, б). Все элементы соединены дуговой сваркой в Аг-2. После сварки винтами 4 к основанию прикреплены планки 1 и фигурные декоративные элементы, изготовленные из нержавеющей стали толщиной 1 мм с защитно-декоративным покрытием TiN. Максимальный размер обрабатываемых деталей не превышает 400 мм. Это определено размером вакуумной камеры, в которой проводится нанесение пленки.

Рисунок 6 - а) Троицкий собор, г. Яранск, Киров. обл. Покрытие Креста и купола колокольни методом вакуумного дугового разряда выполнено Н.И. Сушенцовым на модернизированной установке дугового разряда. Изделия преподнесены в дар г. Яранску. б) Сечение Креста: 1 - накладка из нержавеющей стали толщиной 1 мм с защитно-декоративным покрытием 2 -сварка в аргоне, 3 - профиль из нержавеющей стали толщиной 3 мм, 4 - винты М4 из нержавеющей стали

Заключение. Наиболее важным параметром в процессе получения качественного покрытия является чистота поверхности. Очистка поверхности происходит в четыре этапа: химическая очистка, термический нагрев, очистка в плазме тлеющего разряда и очистка в плазме дугового испарителя. Вторым важным параметром, определяющим цвет покрытия, является

давление азота в процессе осаждения покрытия. Давление выбирается экспериментально. Кроме того, важно во время осаждения поддерживать электрическое смещение на обрабатываемой поверхности на уровне ~200 В.

Поверхность покрытия имеет большие перепады по высоте, что не позволяет произвести качественные измерения твердости. Оптимальные толщины пленок для элементов внешней отделки храмов 0,3-0,5 мкм. При большей толщине и низкой адгезии покрытие отслаивается. Указанные толщины обеспечивают (при условии качественной подготовки поверхности) насыщенный цвет и высокую адгезию пленки, что особенно важно при нанесении покрытия на большие листы нержавеющей стали. При покрытии куполов листы сгибают.

Список литературы:

1. Борисов С.В. Особенности проектирования сельских храмов в средней полосе России. М.: Техномаш, 2008. 140 с.

2. Борисов С.В. Архитектурные особенности действующих храмов, предназначенных для размещения объектов культурного наследия, переданных из музеев // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. Т. 54, № 7. С. 28-33.

3. Борисов С.В. Современный подход к обеспечению сохранности объектов культурного наследия // Наука и технологии в промышленности. 2011. № 4. С. 124-126.

4. Борисов С.В. Традиции и новаторство в современном храмостроении // Приволжский научный вестник. 2013. № 4(20). С. 92-97.

5. Самойлович М.И. Наноструктурированные пленки AIN: получение, строение и применение в электронной технике / М.И. Самойлович, А.Ф. Белянин // Инженерная физика. 2006. № 5. С. 51-56.

6. Самойлович М.И. Формирование наноструктурированных пленок алмазоподобных материалов: часть 1, 2 / М.И. Самойлович, А.Ф. Белянин // Нано- и микросистемная техника. 2006. № 7. С. 21-34; № 8. С. 14-25.

7. Сушенцов Н.И. Автоматизированная установка магнетронного распыления и дугового испарения // Вакуумная техника, материалы и технология: материалы III междунар. науч.-техн. конф. М.: НИИ ВТ, 2008. С. 46-47.

8. Сушенцов Н.И., Борисов С.В. Тонкопленочные нанотехнологии в декоративном убранстве храмов // Высокие технологии в промышленности России: материалы 16 Междунар. науч.-техн. конф. М.: Техномаш, 2010. С. 344-357.

9. Карпов Д.А. Плазменные источники геттерных пленок с магнитной стабилизацией / Карпов Д.А., Саксаганский Г.Л. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Общая и ядерная физика. 1986. Вып. 1(5). С. 24-39.

List of references:

1. Borisov S.V. Features of designing rural churches in central Russia. M.: Technomash, 2008. 140 p.

2. Borisov S.V. Architectural peculiarities of existing temples designed for layout of the cultural heritage objects delivered from museums // Bulletin of the Irkutsk State Technical University. Irkutsk, 2011. № 47(54). P. 28-33.

3. Borisov S.V. The modern approach to the preservation of cultural heritage // Science and technology in the industry. 2011. № 4. P. 124-126.

4. Borisov S.V. Tradition and innovation in modern temple construction // Privoljsky Scientific Bulletin. 2013. № 4(20). С. 92-97.

5. Samoylovich M.I. Nanostructured films AlN: synthesis, structure and application in electronics / Samoylovich M.I., Belyanin A.F. // Engineering Physics. 2006. № 5. P. 51-56.

6. Samoylovich M.I. Formation of nanostructured films of diamond-like materials. Part 1, 2 / Samoylovich M.I., Belyanin A.F. // Nano- and microsystems technics. 2006. № 7. P. 21-34; № 8. P. 14-25.

7. Sushentsov N.I. Automated installation of magnetron sputtering and arc evaporation // Vacuum equipment, materials and technology: proceedings of the III International scientific and technical conference. Moscow: Institute of vacuum equipment, 2008. P. 46-47.

8. Sushentsov N.I., Borisov S.V. Thin-film nanotechnology in the decoration of the temples // High-Tech Industry in Russia. Proceedings of the 16-th International scientific and technical conference. Moscow: Technomash, 2010. P. 344-357.

9. Karpov D.A., Saksagansky G.L. Plasma sources getter films with magnetic stabilization // Problems of Atomic Science and Technology. Series: General and Nuclear Physics, 1986. Issue 1(5). P. 24-39.