​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).
    355
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    439
  • 14/08/2015

    В ТГУ пройдет 5-я Международная научная конференция "Новые оперативные технологии"

    В 2002 году по инициативе члена-корреспондента РАМН, профессора И.Д. Кирпатовского впервые в Москве была проведена научная конференция "Новые оперативные технологии". Все последующие конференции при поддержке профессора И.
    3059
  • 01/12/2016

    Лазерное зондирование атмосферы

    Проект «Лазерное зондирование аэрозольного, газового, метеорологического состава атмосферы от приземного слоя до мезосферы (методы, аппаратура, исследования)» под руководством директора Института оптики атмосферы им.
    2513
  • 25/09/2018

    Ученые ИФПМ СО РАН раскрывают потенциал высокоэнтропийных сплавов

    ​Молодые сотрудники ИФПМ СО РАН участвуют в реализации научного проекта «Роль стехиометрического состава и внутренней структуры в формировании свойств и зарождении пластической деформации в высокоэнтропийных сплавах CoCrFeMnNi» при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 17-79-10108.
    593
  • 28/04/2017

    Томский Институт оптики атмосферы получит поддержку РНФ

    ​По итогам конкурсного отбора четыре проекта томских ученых из Института оптики атмосферы (ИОА) СО РАН получат финансовую поддержку Российского научного фонда (РНФ) в 2017 году. Как сообщили НИА Томск в пресс-службе администрации Томской области, среди победителей конкурса РНФ в 2017 году - работа по исследованию состава воздуха в Сибири в условиях изменяющегося климата.
    1982
  • 12/01/2017

    ТНЦ СО РАН: Как ракушка материаловедам помогла?

    В течение одиннадцати лет успешно развивается международное сотрудничество между отделом структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН и Харбинским инженерным университетом по направлению, связанному с разработкой многослойных металло-интерметаллидных композиционных материалов и моделированию процессов их разрушения.
    1969
  • 11/10/2018

    Новый способ получения наноразмерных порошков и суспензий с помощью терагерцового излучения

    Специалисты Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН провели серию экспериментов, в ходе которых образцы различных твердых материалов с тонким слоем воды на поверхности — среди них, например, латунь, свинец, а также углерод — облучали сфокусированным терагерцовым излучением.
    488
  • 09/04/2019

    Сибирские ученые оптимизируют работу электронных дисплеев органическими полупроводниками

    ​Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) займутся исследованием свойств органических полупроводников (материалов, используемых в электронике), чтобы повысить эффективность используемых сейчас электронных дисплеев, сообщил ТАСС руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ Евгений Мостович.
    763
  • 01/03/2018

    Томские физики создали миниатюрные голубые струи и красные спрайты

    ​Сотрудники Института сильноточной электроники СО РАН описали открытое и воспроизведенное ими в лабораторных условиях явление апокампа — формирование голубых и красных струй плазмы, возникающих на изгибе канала импульсно-периодического электрического разряда в различных газах.
    944