​Сотрудники Института физики прочности и материаловедения СО РАН, Института сильноточной электроники СО РАН, Национального исследовательского Томского государственного университета и Томского государственного педагогического университета совместно, при финансовой поддержке Российского научного фонда, разрабатывают не имеющую мировых аналогов технологию аддитивного тонко-пленочного электронно-пучкового синтеза поверхностных сплавов с аморфной/нанокомпозитной структурой с целью повышения физико-химических и прочностных свойств конструкционных и функциональных сплавов.

В настоящее время усилия научного коллектива направлены на разработку физических основ этой технологии.

Аморфные металлические сплавы или металлические стекла, рассказывает руководитель проектов РНФ 15-13-023 (2015-2017) и 18-19-00198 (2018-наст.в.), гл.н.с. лМПиН ИФПМ СО РАН, д.ф.м.н. Мейснер Л.Л., это материалы, в которых отсутствует трансляционный атомный порядок на большие расстояния, свойственный кристаллам. Благодаря отсутствию границ зерен и дислокаций, металлические стекла обладают рядом уникальных свойств: высокими пределами упругости и прочности, коррозионной стойкости и износостойкости. Для получения таких материалов используют методы высокоскоростной закалки из расплава, позволяющие предотвратить кристаллизацию и «заморозить» стеклообразное состояние. Однако, для аморфизации многих сплавов требуются высокие критические скорости закалки (≥ 106 K/c), что приводит к ограничению поперечного размера материала до десятков микрометров. Это ограничение было преодолено после открытия многочисленных многокомпонентных систем с высокой склонностью к аморфизации и создания обширного класса объемных (толщиной ≥10 мм) металлических стекол (ОМС).

Основным недостатком большинства металлических стекол, резко ограничивающим их применение, является низкая пластичность, что приводит к их хрупкому разрушению. Применения металлических стекол могут быть расширены, а процессы их синтеза облегчены, если такие материалы использовать не в объемной форме, а в виде покрытий на металлических подложках. Чаще всего такие функциональные покрытия формируются с помощью лазерной поверхностной наплавки аморфообразующих порошков при скорости закалки из расплава ~105 K/c, а толщина покрытия составляет от десятка до сотен микрон. Большим недостатком таких покрытий является неоднородность их структуры и химического состава.

Существенными преимуществами, по сравнению с металлическими стеклами – объемными и в виде покрытий – обладают тонко-пленочные металлические стекла (ТПМС), осаждаемые на металлические подложки чаще всего путем магнетронного распыления мишеней соответствующих составов. Эти тонкие покрытия могут быть сформированы в новых системах и/или в расширенных концентрационных интервалах известных систем, для которых синтез объемных металлических стекол невозможен. Кроме того, недавние исследования показали, что целый ряд таких покрытий толщиной 100-200 нм обладают, в отличие от объемных металлических стекол, высокой пластичностью. В последнее время ТПМС были успешно использованы для повышения усталостных характеристик конструкционных сплавов. Ключевым фактором, определяющим усталостное поведение подобных систем, является адгезия пленки к подложке: чем выше адгезия, тем выше их усталостная долговечность. Поэтому одной из наиболее актуальных задач в этой области является поиск новых эффективных способов синтеза высокоадгезионных ТПМС.

В основе выполняемых нами проектов РНФ лежит идея решения проблемы адгезии функциональных ТПМС путем синтеза на металлических подложках тонких (≤1 мкм) поверхностных сплавов с аморфной/нанокомпозитной структурой. Синтез осуществляется с помощью импульсного плавления многокомпонентных аморфообразующих систем пленка/подложка с помощью широкоапертурного (~30 см2) низкоэнергетического (≤30 кэВ) сильноточного электронного пучка микросекундной длительности. Такой пучок позволяет осуществлять жидкофазное перемешивание компонентов систем пленка/подложка на глубину ≤1 мкм и последующую закалку из расплава со скоростью ~109 К/с, что на ~3 порядка выше максимальных критических скоростей закалки из расплава при синтезе металлических стекол традиционными методами. Данная идея теоретически (методами термодинамического моделирования и расчетов температурных полей) обоснована и экспериментально реализована на трех системах пленка/подложка: (Ti- Nb)/TiNi, (Ti-Ta)/TiNi и (Ti-Ta-Si)/TiNi. Использование TiNi сплава в качестве подложки связано с уникальными физико-механическими и химическими свойствами этого сплава (эффекты памяти формы и сверхэластичности, высокая коррозионная стойкость и биосовместимость). Выбор в качестве компонентов ТПМС переходных металлов Ti, Nb, Ta и неметалла Si, кроме того, что эти элементы входят во многие аморфообразующие составы, обусловлен их высокой биосовместимостью.

Положительные результаты исследований механических свойств, коррозионной стойкости, биосовместимости и рентгеноконтрастности опытных TiNi образцов с поверхностными Ti-Ni-Nb/Ta/Si сплавами с аморфной/нанокомпозитной структурой, приведенные в патенте РФ на изобретение нового аддитивного способа синтеза, доказывают ключевую роль размерного эффекта – «чем тоньше, тем лучше», высокую эффективность научного подхода, положенного в основу данного метода поверхностной аморфизации, хорошие перспективы его использования в наукоемких отраслях, включающих медицину и промышленную электронику. 

В настоящее время в промышленно развитых странах (США, Япония, Германия, Китай) проблеме разработки новых эффективных методов синтеза металлических стекол, в том числе и в виде функциональных покрытий/тонких пленок, улучшению их свойств и практическому применению уделяется чрезвычайное большое внимание. В связи с этим, разработка томских ученых представляет значительный интерес как для Томской области, так и для России.

томск_физ.jpgРисунок. Структура (в поперечном сечении) поверхностного Ti-Ni-Ta сплава, синтезированного на TiNi подложке аддитивным тонко-пленочным электронно-пучковым методом: электронномикроскопические светлопольные изображения (а–с) и соответствующие им картины электронных микродифракций; схема строения синтезированного поверхностного слоя.

РНФ_Мейснер.docx">Проект РНФ_Мейснер.docx 

Похожие новости

  • 04/09/2019

    Цитируемые ученые ТПУ: катализаторы из золота и оболочки для ТВЭЛов

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за летний период. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 75, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 9,405 (Green Chemistry, Q1).
    989
  • 27/07/2020

    Нанокерамика томских учёных продлит жизнь аппаратам ИВЛ

    Подшипники, служащие десятилетиями, будут производить физики Томского госуниверситета (ТГУ), уже есть предварительные договоренности об использовании их в составе отечественных аппаратов ИВЛ и авиакосмической техники.
    457
  • 06/08/2020

    Международный конгресс «Потоки энергии и радиационные эффекты» онлайн

    ​VII Международный конгресс «Потоки энергии и радиационные эффекты» (ENERGY FLUXES and RADIATION EFFECTS) – EFRE-2020 состоится с 14 по 25 сентября. Под эгидой EFRE традиционно проходят три научных форума: Международный симпозиум по сильноточной электронике, Международная конференция по модификации материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы и Международная конференция по радиационной физике и химии конденсированных сред.
    337
  • 12/03/2019

    ТГУ разработает новые катализаторы для ресурсосберегающей энергетики

    Проект международного научного коллектива лаборатории каталитических исследований ТГУ получил поддержку Российского научного фонда на разработку новых катализаторов для усовершенствования существующих каталитических технологий и создание технологических решений нового поколения.
    551
  • 25/05/2017

    «Физика рака» — ученые обсуждают в Томске «раковое цунами», накрывающее человечество

    На Международной конференции «Физика рака: трансдисциплинарные проблемы и клинические применения», которая проходит в эти дни в МКЦ ТПУ, прозвучит почти 50 пленарных докладов ученых России и зарубежных стран — США, Израиля, Франции, Германии, Китая, Греции, Италии, Словении, Сербии.
    2560
  • 04/09/2015

    Новое защитное покрытие - для космических кораблей

    ​​​​Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно со специалистами Института физики прочности и материаловедения СО РАН представили специальное покрытие для стекол иллюминаторов космических кораблей, которое способно защитить их от пыли и космического мусора.
    2165
  • 06/02/2020

    Новосибирские ученые опубликовали единый обзор расчетных методов исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях

    ​Исследователи лаборатории физико-химических основ фармацевтических материалов Факультета естественных наук НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН составили единый обзор существующих расчетных методов для исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях.
    478
  • 21/06/2018

    Как проекты РФФИ трансформируют реальность

    Словосочетание «фундаментальная наука» вызывает мысли о чем-то очень туманном и абстрактном? Томские ученые уже давно опровергли эти стереотипы в сотрудничестве с Российским фондом фундаментальных исследований.
    2018
  • 05/01/2017

    Первый наноспутник, напечатанный на 3D-принтере, запустят в 2017 году

    Первый отечественный наноспутник с напечатанными на 3D-принтере элементами корпуса будет запущен с Международной космической станции (МКС) в 2017 году, сообщил руководитель стратегической академической единицы "Космическое материаловедение" в Томском политехническом университете (ТПУ) Евгений Колубаев.
    1385
  • 03/01/2019

    Обнаружены особенности образования соединений, мешающих добыче нефти и газа

    ​​Ученые из Института неорганической химии имени А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН) исследовали реакцию образования кристаллических соединений воды и газа (газовых гидратов) с метастабильной (неустойчивой) структурой.
    1584