НИЛ «Гибридные наноструктурные материалы»

Основной сайт лаборатории

Лаборатория «Гибридные наноструктурные материалы» создана в 2013 году в результате победы НИТУ «МИСиС» в конкурсе мегагрантов Правительства РФ. Руководит лабораторией один из наиболее известных в мире специалистов в области физического материаловедения — профессор Юрий Захарович Эстрин.

Основная цель — разработка нового класса материалов, композитов особого типа, обладающих свойствами, не достижимыми при использовании их отдельных составляющих. При этом архитектуру гибрида можно рассматривать как дополнительную степень свободы — её использование может привести к радикально новым свойствам.

Объединение такой стратегии с правильным выбором материалов открывает возможности для создания уникальных композитов. Этот принцип лежит в основе нового метода разработки высокотехнологичных материалов. И у этого метода богатый потенциал. В частности, он позволяет получать многофункциональные материалы, сочетающие высокую механическую прочность с улучшенной теплоизолирующей способностью, повышенным коэффициентом поглощения звука и другими полезными свойствами.

Научные исследования

Современные достижения науки и технологий предъявляют высокие требования к используемым материалам, которые не всегда соответствуют заявленным требованиям. Поэтому инженеры озаботились созданием принципиально новых подходов к разработке материалов, которые могли бы привести к радикальному улучшению какого-то свойства материала, или получить новые комбинации свойств, не достижимых прежде.

Подход, применяемый в лаборатории «Гибридные наноструктурные материалы», заключается в гибридизации материалов — под этим понимается совмещение каких-либо элементов различных материалов в одном материале, что позволяет добиться кардинального повышения свойств или расширения функциональности конечного гибридного материала.

Профессор Юрий Эстрин совместно с коллегами предложил способ инжиниринга гибридных материалов за счет использования их сегментации на одинаковые элементарные кирпичики особой формы. Такой способ позволяет им самозацепиться внутри структуры. За счет объединения одинаковых по форме, но разных по природе элементарных блоков, можно проводить гибридизацию нескольких материалов, даже совершенно разнородных по своей природе классов. Таким способом можно производить гибриды из металлов, полимеров, стекол, керамики и т.д. Главенствующую роль в дизайне таких материалов играют геометрия и взаимное расположение отдельных составляющих гибрида. Фактически их размеры и геометрия, ведущие к определенной внутренней архитектуре гибрида, вносят в систему дополнительные «степени свободы» — регулируя их, можно изменять ее свойства.

Ноу-хау этого подхода заключается в сочетании компонентов с различной геометрией, и в использовании методов интенсивной пластической деформации, что приводит к получению гибридных материалов с ультрамелкозернистой или наномасштабной структурой.

Предлагаем воспользоваться существующими методами интенсивной пластической деформации, а также разработать новые методы с целью объединения материалов в гибриды с заранее задуманной внутренней архитектурой на макроуровне с одновременной трансформацией микроструктуры в ультрамелкозернистую или наномасштабную структуру. При этом интенсивная пластическая деформация может быть использована с двоякой целью — и как метод улучшения свойств отдельных компонентов гибрида за счет измельчения его зеренной структуры, и как способ соединения этих компонентов в гибрид с намеченной внутренней архитектурой.

Основные научные направления:

  • усовершенствование существующих и развитие новых методов получения объемных металлических наноматериалов;
  • дальнейшее развитие концепции гибридных материалов со специальной внутренней архитектурой;
  • синтез вышеуказанных принципов создания новых материалов и реализация их в конкретных технологиях;
  • создание новых материалов для медицинских имплантатов с улучшенными механическими свойствами и биосовместимостью, материалов для энергетики, а также многофункциональныx композитов для разнообразных применений, в частности, в автомобильной и авиационной промышленности.

Развитие нового направления материаловедения и создание соответствующей научной школы на базе НИТУ «МИСиС» обеспечит студентов и аспирантов подготовкой в новом перспективном направлении гибридных наноматериалов. Помимо вовлечения в научно-исследовательскую работу, лаборатория проводит семинары и лекции на темы: «Математическое моделирование методом конечных элементов», «Свойства ультрамелкозернистых материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации» и др. с привлечением международных специалистов.

Уникальное оборудование

  • Гидравлический вертикальный пресс RHP 250. Основные технические характеристики: максимальное усилие: 250 т, рабочая зона (высота): 800 мм, ход ползуна: 400 мм.
  • Вакуумная печь СНВЭ (Ф) 1.3.1/16. Основные технические характеристики: температура: до 1300 ºС, габаритные размеры рабочего пространства (Д × Ш × В): 300 × 100 × 100 мм, масса загрузки: 15 кг.
  • Электроискровой проволочно-вырезной станок CHMER GX-320L с ЧПУ. Основные технические характеристики: перемещение осей (X, Y, Z) не менее 360 × 250 × 220 мм, перемещение осей (U, V) не менее 60 × 60 м, максимальный размер обрабатываемой детали не менее 725 × 560 × 215 мм.
  • Токарный станок серии СКЕ6130i с ЧПУ. Основные технические характеристики: диаметр изделия над станиной: не более 300 мм, диаметр обработки над станиной: не более 145 мм, расстояние между центрами (РМЦ): 500 мм, масса заготовки: не более 60 кг, перемещение оси Х: не более 190 мм, перемещение по оси Z: не более 559 мм.
  • Фрезерный станок VDL500 с ЧПУ. Основные технические характеристики: размер стола (Д × Ш): 700 × 320, максимальная нагрузка на стол: 150 кг, расстояние от оси шпинделя до направляющих колонны: 430 мм, расстояние от торца шпинделя до поверхности стола: от 140 до 520 мм, перемещение (X/Y/Z): 450/350/380 мм.
  • Оптический микроскоп Axio Scope A1 Carl Zeiss. Основные технические характеристики: общее увеличение микроскопа: ×12,5 — ×1000, увеличение объективов: ×1,25, ×2,5, ×5, ×10, ×20, ×40, ×50, ×63 и ×100, увеличение окуляров и поле зрения: W-PL ×10/23 мм, доступные методы контраста светлое/тёмное поле, стан./круг. поляризация, стан./круг./Plas ДИК, флуоресценция.
  • Оптический микроскоп Axio Observer D1m Carl Zeiss. Основные технические характеристики: увеличение микроскопа: ×50 — ×1000 (без конфокальных лазерных приставок и модулей Optovar), увеличение объективов ×5, ×10, ×20, ×50, ×100, увеличение окуляров и поле зрения; W-PL ×10/23 мм, доступные методы контраста: светлое поле, тёмное поле, поляризация, ДИК, круговой ДИК, флуоресценция, габаритные размеры ДxШxВ: 831 (включая HAL 100) × 294 × 425 мм (без штатива на просвет), масса: 30 кг.
  • Оптический микроскоп Axio Lab A1 Carl Zeiss. Основные технические характеристики: общее увеличение микроскопа: ×50 — ×1000, увеличение объективов: ×5; ×10; ×20; ×40; ×50; ×100, увеличение окуляров и поле зрения: PL ×10/20 Br и PL ×10/22 Br, доступные методы контраста: светлое/тёмное поле, стан./круг. поляризация, стан./круг. ДИК, флуоресценция.
  • Универсальная испытательная машина Instron 5966. Основные технические характеристики: статическая нагрузка — до 10 кН, скорость испытания — 0,001 до 1500 мм/мин.
  • Стенд для измерения микро-твердости Tukon 1102. Основные технические характеристики: нагрузка: 10; 25; 50; 100; 200; 300; 500; 1000 г, автоматическая 3-х позиционная поворотная турель, скорость поворота турели: 120 град/с, объективы: ×10 и ×50, индентер виккерса. Моторизованный позиционный столик 100 × 100 мм.
  • Стенд для прецизионной резки образцов Isomet 4000 Buehler. Основные технические характеристики: максимальный диаметр образца: 50 мм, максимальный размер образца прямоугольного сечения: 150 × 50 × 13 мм, скорость вращения рабочего диска: от 200 до 5000 об/мин, скорость подачи: от 1,2 до 19 мм/мин.
  • Абразивный отрезной станок Abrasimet 250 Buehler. Основные технические характеристики: скорость вращения круга: 2800 об/мин, максимальная глубина реза: 95 мм, перемещение по оси Z: ручное.
  • Шлифовально-полировальный станок AutoMet 250 Buehler. Основные технические характеристики: скорость вращения круга: от 10 до 500 об/мин, скорость вращения насадки: от 30 до 60 об/мин, центральная нагрузка: от 20 до 260 Н, индивидуальная нагрузка: от 5 до 45 Н.
  • Установка механического утонения образцов Minimet 1000 Buehler. Основные технические характеристики: скорость вращения образца: от 10 до 50 об/сек, нагрузка на образец: от 0 до 20 кг, диаметр круга: 72 мм.
  • Установка для электролитического травления Struers LectroPol-5. Основные технические характеристики: размер образцов: не более 10 × 10 × 10 мм, обрабатываемая поверхность образца: не менее 0,5 см2.
  • Установка измерения акустической эмиссии. Основные технические характеристики: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) PXI 1042 National Instruments через усилитель Physical Acoustics Corp. 2/4/6 с коэффициентом усиления КУ = 10, частотный диапазон 100-1200 кГц, динамический диапазон пиковых амплитуд АЭ до 5 В.
  • 3D принтер CubePro. Основные технические характеристики: габаритные размеры: 567 × 581 × 606 мм, масса: 41 кг, толщина наносимого слоя: 75; 200 и 350 мкм, максимальный размер объектов на выходе: 275 × 265 × 240 мм.
  • Весы электронные GR 200. Основные технические характеристики: наибольший предел взвешивания: 210 г, наименьший предел взвешивания: 0,01 г, дискретность отсчета: 0,0001 г, цена поверочного деления: 0,001 г, пределы допускаемой погрешности: ±0,0003 г, среднее квадратическое отклонение: не более 0,0001 г, время установления показаний: 3,5 с, рабочий диапазон температур: от 5 ºС до 40 ºС при влажности менее 85 %, класс точности по ГОСТ 24104: 1.
Инновационные проекты

Выполнены сложные численные расчеты механического поведения гибридных структур из топологически самозацепленных блоков, позволяющие оптимизировать геометрию блоков численными методами. Проведены механические испытания гибридных структур различных типов на растяжение, изгиб и усталость, определены соответствующие механические характеристики. Исследованы механизмы и кинетика разрушения гибридных структур различных типов при механических испытаниях. В частности, продемонстрирована возможность получать адаптивные гибридные структуры, способные изменять несущую способность и жесткость под влиянием внешнего стимула. Показана также возможность использовать принципы биомиметики применительно к самозацепленным гибридным структурам и тем самым получать уникальные комбинации прочности и изгибной податливости хрупких материалов.

Методами интенсивной пластической деформации получены экспериментальные образцы материалов с улучшенными механическими и биокоррозионными свойствами для временных (биорезорбируемых) имплантатов из различных перспективных магниевых сплавов. Методами интенсивной пластической деформации также получены образцы на основе медных сплавов (Cu—Cr, Cu—Zr, Cu—Hf, Cu—Cr—Zr и Cu—Cr—Hf) как модельной основы для новых гибридных и композиционных материалов, и их использования в перспективной технике. Проведен сравнительный анализ обработки меди четырьмя различными методами интенсивной пластической деформации. На его основе дана их сравнительная оценка. Сделано заключение, что методы РКУП и мультиосевой деформации наиболее перспективны и технологичны. Разработан способ обработки низколегированных медных сплавов системы Cu—Cr для получения изделий с наилучшим сочетанием механических и электрических свойств. Это позволяет использовать сплавы системы Cu—Cr в качестве проводникового материала в различных областях электротехники, в частности, в условиях высоких температур и механических нагрузок. Это изобретение послужило основой патентной заявки.

Исследованы термостойкие ванадиевые сплавы, защищенные с внешней и внутренней поверхности от высокотемпературной коррозии сталью. Проведено математическое моделирование механического поведения таких трехслойных гибридных структур методом конечных элементов. Определены оптимальные параметры обработки для получения образцов из трехслойного гибридного материала.

Используя различные варианты режимов интенсивной пластической деформации, получены экспериментальные образцы циркониевых сплавов Э110, Э125 и Э635 с повышенными свойствами прочности. На основе полученных данных определены наиболее благоприятные режимы интенсивной пластической деформации для улучшения свойств изучаемых циркониевых сплавов. Показано, что существенный выигрыш в механических свойствах за счет обработки сплава Э125 методами интенсивной пластической деформации не влечет за собой потерь в его коррозионной стойкости.

На фундаментальном уровне изучены физические процессы, сопровождающие метод интенсивной пластической деформации сплавов, включая измельчение зерна, изменения структуры преципитатов, фазовые превращения и так далее.

Подготовка специалистов высшей квалификации:

  • Повышение квалификации по теме: «Обучение работе с программным обеспечением для моделирования процессов обработки металлов давлением в QForm» следующих сотрудников: Комиссаров А.А., Токарь А.А., Ли Э.В., Нечайкина Т.А., Хаткевич В.М., Страумал П.Б., Шаньгина Д.В., Рыбыльченко О.В., Лукьянова Е.А.
  • Курсы повышения квалификации пользователей оборудования Instron по теме: «Механические испытания материалов» (Хаткевич В.М., Комиссаров А.А.).
  • Курсы повышения квалификации «Обучение навыкам ведения патентно-лицензионной работы» (Комиссаров А.А., Комиссарова Ю.В. (Смирнова), Токарь А.А.).
  • Лукьянова Елена Александровна — м.н.с., диссертация на соискание учёной степени к.т.н. на тему «Исследование магниевых сплавов с редкоземельными металлами для создания новых легких конструкционных материалов».

Книги:

  • Yuri Estrin and Alexei Vinogradov. Modeling of Severe Plastic Deformation: Time-Proven Recipes and New Results // In: Dmitri A. Molodov. Microstructural Design of Advanced Engineering Materials, Wiley-VCH, 2013, P. 69-90 (DOI: https://dx.doi.org/10.1002/9783527652815; ISBN 9783527332694)

Статьи

Тезисы

Награды

Контакты