НИФТИ ННГУ приглашает Вас принять участие в работе VII Всероссийской конференции и школы молодых ученых и специалистов «Физические и физико–химические основы ионной имплантации», которая состоится с 7 по 9 ноября 2018 года в Нижегородском государственном университете имени Н.И. Лобачевского (ННГУ).

Читать далее
10.06.2018

Обновлены сведения о ходе выполнения проектов в 2014-2016 гг. в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Читать далее
16.11.2016

Обновлены сведения о ходе выполнения проектов в 2014-2016 гг. в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы».

 

Читать далее
16.11.2016

17 июня 2016 г. (пятница) в 16:20 в конференц-зале НИФТИ ННГУ состоится расширенный семинар отдела «Физики металлов» НИФТИ ННГУ и кафедры физического материаловедения ННГУ по материалам диссертации Малова В.С. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Приглашаются все желающие!

Читать далее
16.06.2016

Обновлены сведения о ходе выполнения проектов в 2015 г. в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Читать далее
26.04.2016

Направление №3 «Новые технологии порошковой металлургии: наноструктурированные металлы, керамики и композиты на их основе»

В настоящее время коллектив Отдела «Физики металлов» активно развивает новые направления исследований, связанные с развитием новых технологий порошковой металлургии – технологии высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания (ЭИПС) и послойного лазерного сплавления/синтеза (ПЛС), оборудование для реализации которых (установки «DR. SINTER model SPS-625 Spark Plasma Sintering System» и «Realizer SLM100»).

Метод высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания, развиваемый в настоящее время в Отделе «Физики металлов», является новым шагом в развитии высокоэнергетических методов консолидации нанопорошковых материалов, сочетающим в себе такие важные для активирования спекания факторы, как сверхвысокая скорость нагрева, позволяющая существенно ограничить процессы роста зерен при нагреве и получить однородную высокоплотную наноструктуру в материале, а также возможность спекания в вакууме или инертной среде в условиях одновременного приложения к образцу гидростатического давления.

Ключевым преимуществом ЭИПС является возможность обеспечения очень высокой скорости нагрева образцов, при которой принципиальное значение приобретают явления, связанные с неравновесностью структуры материалов - это и неравновесность, связанная с нестационарностью тепловых и электрических полей, и неравновесное состояние основных элементов дефектной структуры. На ранних стадиях спекания ключевым является неравновесное состояние свободных поверхностей спекающихся частиц порошка, а на более поздних стадиях спекания - неравновесное состояние границ зерен, обеспечивающее в условиях высокоскоростного нагрева «включение» дополнительных механизмов диффузионного массопереноса, традиционно не реализующихся при стационарном нагреве крупнозернистых материалов. Эти нестационарные диффузионные процессы, связанные с неравновесными межкристаллитными границами, обеспечивают ускоренное спекание материалов при относительно низких температурах нагрева и, как следствие, получение высокоплотной структуры в нанопорошковых материалах.

В связи с этим важным преимуществом является большой научный задел Отдела «Физики металлов» НИФТИ ННГУ в области описания структуры, диффузионных и термодинамических свойств неравновесных границ раздела в твердых телах.

Разработанные в рамках теории неравновесных границ зерен новые научные подходы могут быть использованы и при описании процессов высокотемпературного и высокоскоростного спекания и деформации наноструктурированных сплавов, керамик и композитов (апробация разработанных подходов по отношению к технологии «Spark Plasma Sintering» с использованием которой были получены новые наноструктурые керамики и композиты была проведена в ходе выполнения грантов РФФИ, госконтрактов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и проекта АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)» (см. список основных публикаций – Блок №5).

Особый интерес использование этих технологий в совокупности с разработанными методами дизайна структуры и управления свойства межфазных и межзеренных границ. представляет при разработке композиционных керамик, в которых задача повышения стойкости к износу и хрупкому разрушению решается за счет «введения» в структуру керамики дисперсных частиц и армирующих волокон. Использование разработанных методов управления структурой границ зерен позволяет решить важную фундаментальную и научно-техническую задачу повышения адгезионной прочности межфазной границы «частица – нанокерамика», обеспечивающей создание нового поколения износостойких керамик, эффективно работающих в различных экстремальных условиях эксплуатации характерных для газотурбинных двигателей, металлорежущего инструмента, пар трения газовых центрифуг и нефтехимического оборудования и др.

Среди ключевых результатов, связанных с разработкой и внедрением новых технологий нанопорошковой металлургии, полученных коллективом Отдела «Физики металлов», следует отметить следующие:

 

Разработка новых наноструктурированных износостойких твердых сплавов на основе карбида вольфрама для современного металлообрабатывающего инструмента

Среди результатов находящихся в стадии внедрения, следует отметить проект по созданию современного металлообрабатывающего инструмента из новых наноструктурированных твердых сплавов.

Создание металлорежущего инструмента позволяющего повысить скорость обработки вязких конструкционных материалов особенно актуальна для авиационной отрасли, где основной тенденцией при производстве силовых конструкций самолета является увеличение доли титановых сплавов, обладающих уникальным сочетанием высокой прочности и пластичности. Кроме этого, титановые сплавы не подвержены гальванической коррозии при контакте с углеродными композитами, что делает титан перспективным материалом для применения в конструкциях крыла и фюзеляжа современных самолетов, а также в других изделиях авиационной техники. Вместе с тем следует отметить, основным недостатком титановых сплавов является их плохая обрабатываемость резанием, что существенно затрудняет проведение операций по изготовлению высокоответственных авиационных деталей сложной формы (переборок, шпангоутов, хвостовой секции фюзеляжа, несущих конструкций крыла, узлов крепления двигателя к крылу, деталей шасси и крепежных изделий).

Коллективом Отдела «Физики металлов» при участии специалистов ИМЕТ РАН с использованием технологии ЭИПС получены новые наноструктурированные твердые сплавы на основе карбида вольфрама, обладающие уникальным сочетанием прочности, твердости, трещиностойкости и износостойкости. Разработанные наноструктурированные твердые сплавы по свои свойствам превосходят не только отечественные твердые сплавы, но и импортные аналоги ведущих фирм-изготовителей. Независимая оценка стоимости ноу-хау, разработанного коллективом Отдела «Физики металлов» НИФТИ ННГУ в рамках реализации госконтракта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», была проведена ЗАО «Приволжский центр финансового консалтинга и оценки» по заказу ННГУ.

Проект ID2089 «Организация серийного производства металлообрабатывающего инструмента на основе композиционных износостойких наноматериалов, позволяющего проводить обработку вязких материалов при высоких скоростях резания», прошел все предварительные стадии и в июле 2011 года был одобрен к финансированию Научно-техническим советом ОАО «Роснано». Проект предполагается реализовывать на базе ОАО «Комсомольск-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина» (входит в состав Авиационного холдинга «Компания Сухой», являющегося частью ОАО «Объединенная авиастроительная компания») и являющегося производителем ведущих отечественных гражданских («Сухой Суперджет SSJ-100») и боевых (ПАК ФА) самолетов при финансовой поддержке со стороны ОАО «РОСНАНО» (проект ID2089).

Торгово-промышленной палатой Нижегородской области проект «Разработка стабильной промышленной технологии изготовления износостойкого режущего твердосплавного инструмента из наноматериалов для высокоскоростной обработки вязких конструкционных материалов» в августе 2012 года был отправлен на рассмотрение в центральный аппарат Торгово-промышленной палаты РФ. Данное решение было принято по результатам представления коллективом Отдела «Физики металлов» НИФТИ ННГУ этого проекта на V Российском форуме «Российским инновациям – Российский капитал» и X ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Нижний Новгород, Нижегородская ярмарка, 23-25 мая 2012 г.), который был отмечен серебряной медалью.

 

Разработка технологии получения высокотемпературных сверхпроводящих керамик для инновационных приложений в энергетике

Внастоящее время коллективом Отдела «Физики металлов» проводятся исследования по возможности использования технологии ЭИПС для получения высокоплотных объемных высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) керамик (YBaCuO, Y-123). Целью работы является разработка технологии изготовления мишеней из керамики YBaCuO, пригодных для напыления ВТСП-слоя методом лазерной абляции (PLD).

В качестве основного приложения следует отметить проекты «ВТСП-2» и «Инновационная энергетика», в рамках которого ГК «Росатом» планирует создать промышленное производство ленточных высокотемпературных сверхпроводящих проводов второго поколения длинной до 1000 м (ленточные сверхпроводники ВТСП-2G). Разрабатываемые образцы ВТСП-мишеней предназначены для нанесения методом лазерного распыления тонких сверхпроводящих покрытий YBaCuO на высокопрочный провод-подложку, представляющий собой чередующиеся слои Ni-W, а также ряд промежуточных буферных слоев различного состава (оксид иттрия, оксид циркония и др.).

В настоящее время для нанесения сверхпроводящих покрытий на ВТСП-2G используют импортные мишени из керамики YBaCuO, стойкость которых к лазерному воздействию недостаточна, а малое содержание сверхпроводящей фазы в спеченной керамике существенно снижает служебные характеристики ВТСП-покрытия.

В связи с этим одним из основной целью проекта, реализуемого коллективом Отдела «Физики металлов» НИФТИ ННГУ совместно с коллективом НИИХимии ННГУ под руководством д.х.н., проф. А.Д. Зорина, является создание новых технологических процессов синтеза порошков стабильного фазового, стехиометрического и гранулометрического состава, а также разработка процесса их высокоскоростного спекания, обеспечивающих получение объемных керамик с повышенными значениями плотности и малым размером зерна, а также более повышенной (в пределе – 100%) объемной долей сверхпроводящей фазы. (Отметим, что необходимость длительной выдержки при повышенной температуре спекания хоть и приводит к повышению плотности керамики, но сопровождается одновременным ростом зерен и распадом сверхпроводящей фазы. Использование разработанных новых методов управления диффузионно-контролируемыми процессами и методов дизайна структуры неравновесных границ зерен, позволит успешно решить задачу получения ВТСП-керамик с высокой плотностью и высокой объемной долей сверхпроводящей фазы).

Решение поставленных в проекте задач позволит обеспечить создание нового поколения ленточных ВТСП второго рода и решить широкий круг проблем энергосбережения в энергетике и машиностроении за счет снижения энергопотерь при транспортировке и распределении электроэнергии, повышения коэффициента полезного использования топлива при производстве электроэнергии, повышения энергоэффективности в энергоемких секторах промышленности, снижения материалоемкости электротехнических устройств и агрегатов в электротехнике, на транспорте и в промышленности, повышения надежности энергоснабжения потребителей путем создания нового поколения сверхпроводящих магнитов, генераторов и линий электропередач, решения задач по аккумулированию энергии (создании супермаховичных и кинетических накопителей энергии) и др.


Среди перспективных проектов, реализуемых в настоящее время коллективом Отдела «Физики металлов», следует выделить проекты находящихся в стадии научно-исследовательской работы и направленные на анализ возможностей развиваемых новых технологий порошковой металлургии (особенно – технологии ЭИПС) по отношению к материалам различного функционального назначения:

 

Новые экологически-устойчивые керамики для иммобилизации радиоактивных отходов и инновационных приложений в атомном машиностроении и ядерной энергетике

Целью работ, проводимых совместно с коллективом химического факультета ННГУ под руководством д.х.н., проф. Орловой А.И., является разработка основ нового метода иммобилизации радиоактивных компонентов и отходов (РАО) в экологически-устойчивые керамики с повышенными характеристиками термической, гидролизной и радиационной стойкости. В настоящее время для иммобилизации РАО в промышленном масштабе используются хорошо известные и апробированные технологии варки стека. Однако остеклованные РАО обладают низкой устойчивостью по отношению к подземным водам, особенно после их неизбежной раскристаллизации при длительном хранении под действием радиоактивного излучения и радиогенного тепла. Разрабатываемый новой способ будет способствовать решению задачи утилизации и безопасного хранения отходов радиохимических производств – высокоактивных отходов от регенерации отработанного ядерного топлива атомных станций, атомных реакторов подводных лодок и научно-исследовательских центров, отходов от производства и переработки оружейного плутония и т.д.

Для успешного решения поставленной задачи в настоящее время разрабатывается новое поколение термически, механически, радиационно- и химически устойчивых композитных минералоподобных материалов на основе фосфатов с различной структурой (минералы со структурой коснарита, монацита, поллуцита и др.), устойчивых к разрушающим факторам природного и техногенного характера, а также новый эффективный способ их получения основанный на развиваемой технологии высокоскоростного спекания и обеспечивающий экологическую безопасность конечного продукта отверждения при длительном хранении и захоронении. Данные материалы благодаря широкому изоморфизму могут вмещать до 50% катионов, присутствующих в отходах (актиниды, продукты ядерного деления, «технологические» и конструкционные элементы) без существенных кристаллографических изменений, что позволяет прогнозировать и подбирать наиболее подходящие формы отверждения отходов любых составов и сложности.

Коллективом Отдела «Физики металлов» НИФТИ ННГУ было показано, что использование метода ЭИПС позволяет существенно повысить технологичность процесса спекания керамик за счет повышения скорости нагрева, снижения оптимальной температуры спекания и уменьшения времени изотермической выдержки, а также позволяет получать объемные керамические материалы на основе различных фосфатов с повышенными физико-механическими свойствами и служебными характеристиками.

Следует отметить, что термически, химически и радиационно-устойчивые материалы данного класса с улучшенными эксплуатационными характеристиками могут быть использованы как конструкционные материалы для хранения, транспортировки радиоактивных материалов, а также реакционных сосудов для их переработки (тигли, крышки, др. изделия). Кроме того, мировое развитие атомной энергетики, в том числе создание реакторных энергетических установок четвертого поколения, требует разработки огнеупорных керамических материалов и композитов, сохраняющих функциональные характеристики в жестких условиях эксплуатации (температуры свыше 900 ºС, потоки нейтронов и др.). Разрабатываемые в рамках данного направления керамики обладают (1) низкими коэффициентами теплового расширения, (2) превосходной высокотемпературной устойчивостью, (3) сопротивлением ползучести при высоких температурах, (4) хорошей теплопроводностью, (5) способностью выдерживать мощные потоки нейтронов, (6) простотой получения, (7) способностью образовывать соединения (стыки, швы), (8) низкой эрозией в потоке гелия, (9) устойчивостью в аварийных ситуациях, связанных с проникновением воздуха и/или воды и др.

Уникальные свойства таких керамик делают их весьма привлекательными для использования в качестве радиационно-стойких конструкционных материалов в ядерной энергетике и атомном машиностроении.