Физики создали оборудование для ускорения разработки износостойких и жаростойких тонкопленочных материалов

Разработка новых технологий создания и модификации конструкционных и функциональных материалов – довольно длительный процесс. Порой, чтобы получить требуемый комплекс свойств на поверхности конструкционных материалов, предназначенных в том числе для работы в экстремальных условиях, необходимо несколько месяцев и даже лет. Специалисты Института сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) создали вакуумно-электронно-ионно-плазменный стенд (ВЭИПС), который позволит в разы снизить срок подобных работ. Стенд установлен на канал синхротронного излучения (СИ), и специалисты могут наблюдать in situ, как происходит эволюция фазового состава, параметров структуры упрочняющих, антикоррозионных и жаростойких покрытий в ходе их нанесения на материал. Это позволит в режиме реального времени оптимизировать процесс нанесения покрытия. Предварительные эксперименты по отработке технологии проходят в ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП «СЦСТИ»). Планируется, что в будущем стенд заработает на одной из пользовательских станций ЦКП «СКИФ». Стенд создан в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019 – 2027 годы.

Поверхностная инженерия – одно из перспективных направлений в области материаловедения, направленное на улучшение физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик материалов. Поверхностная инженерия включает множество методов модификации поверхности, в том числе пучково-плазменные. Для того, чтобы произошло осаждение упрочняющих и жаростойких пленок или формирование новых соединений на поверхности материала, на нее воздействуют потоками ионов, плазмы, пучками электронов, лазерным излучением и др.

«Методов инженерии поверхности довольно много, – рассказывает кандидат технических наук заведующий лабораторией пучково-плазменной инженерии поверхности ИСЭ СО РАН Владимир Денисов. – В Институте мы создаем электроразрядное и плазменное оборудование и разрабатываем технологии, которые позволяют улучшать характеристики материалов. Например, воздействуя на поверхность какой-то детали плазмой, мы можем осадить на нее ионы титана и азота, которые, вступая в химическую реакцию друг с другом, образуют единую кристаллическую решетку и формируют покрытие нитрид титана. Твердость такого металлокерамического покрытия составляет 25 Гигапаскалей, что значительно выше этой же характеристики у твердого сплава. В целом все методы направлены на решение одной большой задачи – создание конструкционных материалов, способных работать в экстремальных условиях. Например, одна из деталей газотурбинных двигателей самолетов – лопатка турбины, которых может насчитываться в двигателе несколько сотен, – постоянно работает при температурах выше 1000 градусов, и к тому же в условиях термоциклирования, то есть постоянного и резкого изменения температурного режима. Соответственно, на ее поверхности нужно создавать специальные покрытия. Как и на материалах, используемых в космической, атомной, ядерной отраслях, потому что они постоянно испытывают воздействие критических температур, кавитационных процессов, химического воздействия, ионизирующего излучения и других экстремальных факторов».

Одна из проблем при создании жаропрочных и упрочняющих покрытий в том, что процесс отработки технологии нанесения, зачастую, идет «вслепую». Физики не могут управлять процессом синтеза различных материалов in situ, а соответственно, подбор параметров для получения необходимых свойств и общее время разработки технологии может занимать от нескольких месяцев до нескольких лет. Чтобы в разы снизить этот срок, ИСЭ СО РАН совместно с коллегами из ИЯФ СО РАН и еще нескольких российских научных и образовательных организаций создали стенд ВЭИПС, на котором в режиме реального времени можно проводить исследования процессов синтеза покрытий различными методами пучково-плазменной инженерии. «Изюминка» совместного проекта – в использовании синхротронного излучения.

«СИ позволит нам кратно снизить время, необходимое для проведения исследований по определению механизмов и закономерностей, которые влияют на процесс синтеза различных материалов, – добавляет Владимир Денисов. – Семь научных групп уже провели ряд экспериментов на стенде ВЭИПС с использованием пучка СИ и продемонстрировали, что мы, действительно, можем получать всю необходимую информацию о процессе значительно быстрее, чем обычно – всего за пару дней. Например, эксперименты по напылению материалов вакуумно-дуговым методом показали, в какие моменты и как необходимо менять ток разряда, давление и еще пару параметров, чтобы изменить фазовый состав многокомпонентного покрытия. То есть мы продемонстрировали, что оператор, который растит покрытие может целенаправленно, меняя условия эксперимента, управлять процессом синтеза. Только представьте, для метода электронно-пучковой модификации вам нужно реализовать 20 технологических шагов процесса, и после каждого шага вы видите изменение фазового состава и параметров структуры формируемого поверхностного сплава. Без СИ это было просто невозможно».

Первые эксперименты со стендом ВЭИПС проводились на пользовательских станциях «Прецизионная дифрактометрия и аномальное рассеяние» и «Прецизионная дифрактометрия-2» ЦКП «СЦСТИ». Здесь свои эксперименты проверили научные группы из пяти лабораторий Института сильноточной электроники, лаборатории пучков частиц института электрофизики УрО РАН, кафедры технологии машиностроения Уфимского университета науки и технологий, лаборатории физики упрочнения поверхности ИФПМ СО РАН.

«ИСЭ СО РАН имеет богатый опыт разработки технологий нанесения, – рассказывает ведущий научный сотрудник ЦКП «СКИФ» инженер I категории ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Александр Шмаков. – Но когда наши коллеги работают в обычных своих условиях, они не могут в режиме реального времени диагностировать, как при тех или иных методах и параметрах нанесения растет пленка, какие кристаллические фазы формируются, появились ли микронапряжения, достигнута ли хорошая адгезия с поверхностью. Изучение нанесенных покрытий происходит на лабораторных дифрактометрах постфактум, когда процесс нанесения уже завершен. In situ его можно увидеть при помощи синхротронного излучения. Мы это делаем на наших экспериментальных станциях на СИ, получая информацию о фазовом составе, фазовых переходах, химических превращениях, структурных изменениях и прочем, что интересует пользователя».

По словам Владимира Денисова, с основной частью задач проекта коллаборация ученых справилась.

«Мы разработали и создали стенд ВЭИПС, объединили его с источником СИ ЦКП “СЦСТИ” и, собрав широкий круг пользователей, экспериментально подтвердили эффективность его работы. Скоро будет запущен ЦКП “СКИФ”, и у нас есть год, чтобы усовершенствовать стенд и реализованные на нем методики, запустить программное обеспечение для автоматизированной обработки получаемых экспериментальных данных», – добавляет Владимир Денисов.

Разработка и создание стенда ВЭИПС выполнена в ходе комплекса мероприятий по созданию инфраструктуры для развития синхротронных и нейтронных исследований на территории России как часть научно-исследовательского проекта, реализуемого в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019 – 2027 годы. Помимо создания установки проект включает в себя комплекс научных мероприятий и мероприятия по подготовке кадров в области синхротронных и нейтронных исследований в РФ и привлечению научных групп к исследованиям с использованием синхротронного излучения. Головным исполнителем является ИСЭ СО РАН, соисполнителями выступают ИЯФ СО РАН, Томский политехнический университет, Томский государственный университет, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Институт электрофизики Уральского отделения РАН, Уфимский университет науки и технологий и предприятие авиационной отрасли НПА «Технопарк-АТ»(г. Уфа).


Центр коллективного пользования «СКИФ» – источник синхротронного излучения поколения 4+. Установка сооружается в Новосибирской области в рамках национального проекта «Наука и университеты» и во исполнение Указа президента России от 25 июля 2019 года. Реализация проекта находится на особом контроле полномочного представителя Президента Российской Федерации в Сибирском федеральном округе. Заказчиком и застройщиком ЦКП «СКИФ» выступает ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН». Проектирует объект Центральный проектно-технологический институт (АО «ЦПТИ», входит в топливную компанию Росатома «ТВЭЛ»). Генеральным подрядчиком выступает «Концерн Титан-2», входящий в структуру Росатома. Единственный исполнитель по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для ЦКП «СКИФ» — Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Завершение строительно-монтажных и пусконаладочных работ по всем объектам ЦКП «СКИФ» намечено на декабрь 2024 года.

В МФТИ создали 2D-материал для гибкой оптоэлектроники
Новый материал из разряда органических 2D-полимеров на основе особых молекул разработали ученые МФТИ и ИБХФ РАН. Наноразмерные поры в этом материале-монослое можно легко контролировать с помощью дизайна молекул, обеспечивая уникальное сочетание стабильности, упругости и ширины запрещенной зоны полупроводника. Потенциальное применение 2D-полимеров — изготовление элементов гибкой и управляемой...
​В МЭИ подготовили специалистов по разработке защищенных интеллектуальных систем энергетического устройства
В НИУ «МЭИ» состоялся первый выпуск слушателей учебного курса «Введение в разработку защищенных интеллектуальных систем энергетического устройства (ИСУЭ) и АСУ ТП с использованием ViPNet SIES».  Обучение прошло на базе первой отраслевой лаборатории встраиваемых средств криптографической защиты информации автоматизированных и автоматических систем управления объектов...
При участии ученых ЛЭТИ разработан высокоточный аппарат для более быстрой передачи радиосигналов
В перспективе разработка может использоваться в системах радиосвязи общего или специального назначения, а также в радионавигации, радиолокации и прочих смежных областях. Вейвлет-преобразование представляет собой специальный математически обоснованный метод анализа и обработки различных типов сигналов (аудио-, видеосигналов) и данных (документов, изображений). Сегодня он является мощным инструме...
Опровергнута гипотеза о том, чем вызвана способность сплавов менять форму при намагничивании
Ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) и Университета МИСИС опровергли распространенную в науке гипотезу, объясняющую возникновение гигантских магнитострикционных свойств у сплавов на основе железа и галлия, востребованных в высокотехнологичных отраслях. Способность изменять длину при намагничивании, как установили исследователи, не может быть...
Миниатюрные фотопреобразователи помогут бесконтактно передавать энергию между космическими аппаратами и наземными объектами
Ученые создали на основе арсенида галлия компактные фотоэлектрические преобразователи — устройства, способные вырабатывать электричество под действием лазерных лучей. Авторы выяснили, что минимальный размер таких преобразователей, при котором они не теряют эффективности, составляет 0,2 миллиметра. Полученные приборы позволят развивать технологию беспроводной передачи энергии на большие расст...
Ученые Пермского Политеха повысили стабильность и качество производства оптоволокна
Волоконная оптика — это одна из перспективных и быстроразвивающихся наукоемких отраслей промышленности. Кварцевые волокна, передающие световые сигналы на большие расстояния, активно применяются в сферах коммуникации, навигации, медицины и приборостроения. Но их изготовление — очень сложный и дорогостоящий процесс. Особенно это касается нового типа оптоволокна, сердцевина которого окруж...
Ученые «Росатома» подтвердили надежность эксплуатации ядерного топлива ВВЭР большой мощности в маневренном режиме
Ученые из Научного и Топливного дивизионов «Росатома» успешно завершили эксперимент «Маневр-1», в котором исследовались параметры ядерного топлива для реакторов ВВЭР-1200 в режиме суточного маневрирования мощностью реакторной установки. Испытания проводились в исследовательском реакторе МИР на площадке димитровградского НИИ атомных реакторов (АО «ГНЦ НИИАР»,...
Электростатическое отталкивание набирает популярность в очистке солнечных панелей
Компания Sol Clarity разработала электродинамический экран, который заряжает частицы пыли статическим зарядом, а затем с помощью электромагнитной волны сметает их с солнечной панели. Инновация уже нашла применение в Чили. Экран внешне напоминает прозрачную клеенку, которая состоит из двух слоев: верхнего диэлектрического слоя, содержащего напечатанные электроды, а также прозрачного клеевого сло...
МФТИ представил первый российский вездеход и АЗС на водороде
На технологическом форуме «Иннопром — 2024» в Екатеринбурге инженеры МФТИ представили первый российский водородный вездеход с водородной заправочной станцией. Вездеход «Русак К-10» на водороде сделан совместно с компаниями «Вездеходы для севера» (Нижегородская область), «Кубо» (Санкт-Петербург) и «Гидроджен Энерджи» (Московская обла...
Мощность солнечных батарей выросла в 2 раза при плохом освещении
Ученые Университета МИСИС и Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова (ИСПМ РАН) создали органические полупроводники для широкоформатных перовскитных модулей, которые при низком освещении увеличивают их мощность до 90%, а КПД на 2,42%. В перспективе новый тип солнечных батарей позволит эффективно вырабатывать электроэнергию не только...
Ударные волны солнечного ветра способны повреждать электросети на Земле
Астрономы из США выяснили, что ударные волны, присутствующие в структуре солнечного ветра, могут сталкиваться с магнитосферой Земли и в некоторых случаях порождать не только яркие полярные сияния, но и мощные электрические тока на поверхности Земли, способные повредить электрические сети. Результаты наблюдений ученых были опубликованы в статье в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences....
В МЭИ разработали систему управления водно-химическим режимом энергообъектов
 Ученые НИУ «МЭИ» разработали новую систему адаптивного управления водно-химическим режимом для существующих и вновь возводимых энергетических объектов нового поколения. Система управления является универсальной во всем диапазоне рабочих нагрузок, включая пусковые режимы работы энергоблока. На данный момент система уже введена в опытно-промышленную эксплуатацию и проходит испыт...
Разработки для электроэнергетического сектора с использованием 3D-моделирования представлены на вебинаре консорциума «Энергетика будущего»
Российское энергетическое агентство Минэнерго России совместно с партнерами научно-образовательного консорциума «Энергетика будущего» продолжает серию открытых вебинаров с участием разработчиков перспективных технологий. На очередном вебинаре были представлены разработки с использованием технологии 3D-моделирования и виртуальной реальности, внедренные в образовательный процесс: визу...
Процесс извлечения цветных и благородных металлов выходит на новый уровень
Разработки ученых Уральского федерального университета в области извлечения цветных и благородных металлов из сложного полиметаллического сырья становятся все более востребованными горно-металлургическими предприятиями. На острие создания ключевых разработок в этой области — молодежная научная лаборатория перспективных технологий комплексной переработки минер...
Ученые создали новый вид магнитной керамики
Ученые из Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне, МФТИ и их иностранные коллеги создали новый вид магнитной керамики и провели его экспериментальное исследование. Обнаруженные ими свойства оказались весьма привлекательными для нужд терагерцовой электроники — в системах связи, медицине, безопасности, для создания новых измерительных приборов, в астрофизике и для элементов компьютерной п...
В МЭИ разработали технологию предикативной оценки характеристик систем компьютерного зрения
 Ученые НИУ «МЭИ» разработали технологию, которая позволяет ускорять создание и внедрение комплексов компьютерного зрения для робототехнических систем, авиакосмической отрасли и медицины. Одной из часто встречающихся задач компьютерного зрения является определение положения предмета в замкнутом пространстве. Ярким примером служит определение относительного положения объекта на...
Укрепить дороги оптоволокном. Способ ученых Пермского Политеха повысит качество дорожного покрытия и утилизирует отходы
Одна из основных причин, по которым автомобильные дороги приходится часто ремонтировать, — это образование поверхностных дефектов из-за постоянных нагрузок от транспортных средств. Общий вес только одного большого грузовика может достигать 40 тонн. Во время эксплуатации асфальтобетона происходит его сжатие и растяжение, это усложняет задачу повышения прочности всего дорожного слоя. Существую...
Консорциум «Энергетика будущего» подготовил очередной выпуск информационно-аналитического бюллетеня
Актуальные разработки участников научно-образовательного консорциума «Энергетика будущего», созданного по инициативе Российского энергетического агентства Минэнерго России, представлены в новом выпуске информационно-аналитического бюллетеня. В разделе «Новые технологии» представлены технологические компетенции РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина и НИУ «МЭИ&ra...
В Волжском филиале НИУ «МЭИ» состоялся запуск блокчейн-сети
В Волжском филиале Московского энергетического института (НИУ «МЭИ») состоялся запуск блокчейн-сети, являющейся «надстройкой» системы прогнозирования надежности и безопасности объектов энергетики, которая была разработана в НИУ МЭИ. Блокчейн-сеть обеспечит безопасный обмен данными и повысит доверие между участниками отрасли. В церемонии приняли участие директор Волжского фи...
Ученые повысили эксплуатационные характеристики изделий из никелевых суперсплавов
Учёные Университета МИСИС предложили усовершенствованную технологию нанесения защитных покрытий на никелевые суперсплавы, применяемые в аэрокосмической, энергетической и машиностроительной отраслях. Методика значительно продлевает срок службы изделий и снижает их износ более чем в 3 раза. Чтобы улучшить характеристики и срок службы жаростойких суперсплаво...