Паспорт проекта

Название проекта

НИЦ "Гибридные Наноструктурные материалы"


Лаборатория  создана  в НИТУ "МИСиС"  в рамках мега-гранта Правительства РФ. Постановление № 220

Руководители проекта

Профессор Эстрин Юрий Захарович Университет им. Монаша, Мельбурн, Австралия 

Цели проекта

Главной целью проекта является развитие технологий композитных материалов нового класса, а именно гибридных материалов, сочетающих в себе разнородные по своим свойствам компоненты. Улучшенные свойства таких композитов будут достигаться за счет их специально разработанной внутренней архитектуры. Инновативный дизайн таких гибридных материалов, продиктованный геометрическими принципами, будет, в частности, реализовываться с использованием методов интенсивной пластической деформации, позволяющих добиваться значительного улучшения свойств материала за счет его наноструктурирования. При этом интенсивная пластическая деформация будет использоваться 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.


Задачи проекта

Основные задачи проекта включают в себя:

- Усовершенствование существующих и развитие новых методов получения объемных металлических наноматериалов.

- Дальнейшее развитие концепции гибридных материалов со специальной внутренней архитектурой. 

- Синтез обоих 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 многофункциональных композитов для разнообразных применений, в частности, в автомобильной и авиационной промышленности.

-  Создание научной школы в области гибридных наноматериалов на базе НИТУ «МИСиС» с целью подготовки студентов и аспирантов в этом новом перспективном направлении.

Уникальность проекта

Уникальность проекта состоит в новизне подхода к разработке гибридных материалов, которые можно рассматривать как композиты нового поколения. Во главу угла при этом ставится внутренняя архитектура и взаимное расположение компонентов гибрида, которые дают дополнительные возможности варьировать его свойства. При этом предлагаются методы изготовления гибридных материалов, позволяющие одновременно получать как желаемую внутреннюю архитектуру материала, так и наноструктурирование его компонентов. В результате достигаются комбинации свойств, не доступные при использовании других технологий.


Актуальность проекта

Актуальность проекта обусловлена необходимостью разработки новых материалов с многофункциональными свойствами, которых невозможно добиться, используя традиционные материалы. Одним из важных применений данных разработок являются материалы для медицинской техники, включая материалы для биорезорбируемых имплантатов.

Оборудование

1.  Электроэрозионный проволочно-вырезной станок

2.  Токарный станок с ЧПУ СКЕ6130i

3.  Вертикальный обрабатывающий центр с ЧПУ VDL500

4.  Пресс гидравлический вертикальный (250 т)

5.  Многофункциональный комплекс прецизионной подготовки и испытаний нестандартных образцов гибридных материалов

6.  Передвижная установка измерения акустической эмиссии

7.  Устройство деления проб гибридных материалов

8.  Камерная вакуумная электропечь

9.  Установка для электролитического травления

10.                   Аквадистиллятор АЭ-14- «Я»-  ФП-01

11.                   Компрессор поршневой

12.                   Печь камерная .СНОЛ 6/12

13.                   Измеритель электропроводности «Константа К6»

14.                   3D-принтер  CubePro Trio

15.                   Автоматический электрогидравлический пресс для испытаний нестандартных образцов гибридных материалов

16.                   Наковальня для кручения в условиях интенсивной пластической деформации (НК-ИПД)

17.                   Металлографические оптические микроскопы Carl Zeiss (AxioLab, Axio Scope, AxioObserver)  с программным обеспечением Tixomet и аппаратной частью.

Патенты

Патентная заявка № 2014148094 «Способ обработки низколегированных медных сплавов».

Мероприятия научного коллектива

Лаборатория проводит семинары и лекции по темам «Математическое моделирование методом конечных элементов», «Свойства ультрамелкозернистых материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации» и др. с привлечением международных специалистов.

Партнёрство и сотрудничество

  1. Институт Материаловедения Университета им. Лейбница, г. Ганновер, Германия
  2. Институт коллоидов и поверхностей раздела Oбщества Макса Планка, г. Потсдам, Германия
  3. Институт Механики Сплошных Сред и Материалов Технического Университета Гамбург-Гарбург, Германия

4.  Институт им. Вайцмана, г. Реховот, Израиль

5.  Университет г. Метц, Франция, лаборатория DAMAS.

  1. Центр им. Гельмгольца в г. Геестхахт/Гамбург (Helmholtz Zentrum Geesthacht), Германия
  2. Университет им. Монаша, Мельбурн, Австралия
  3. Научно-технологический университет г. Поханг, Корея

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, была 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 (ИПД) получены экспериментальные образцы материалов с улучшенными механическими и биокоррозионными свойствами для временных (биорезорбируемых) имплантатов из четырех перспективных магниевых сплавов. Методами ИПД 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 ИПД. На его основе дана их сравнительная оценка. Сделано заключение, что методы РКУП и мультиосевой деформации (МД) 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 от высокотемпературной коррозии стальными пластинами. 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 ИПД, получены экспериментальные образцы циркониевых сплавов Э110, Э125 и Э635 с повышенными прочностными свойствами. На основе полученных данных определены наиболее благоприятные режимы ИПД для повышения прочностных свойств изучаемых циркониевых сплавов. Показано, что существенный выигрыш в механических свойствах за счет обработки сплава Э125 методами ИПД не влечет за собой потерь в его коррозионной стойкости.

На фундаментальном уровне изучены физические процессы, сопровождающие ИПД сплавов, включая измельчение зерна, изменения структуры преципитатов, фазовые превращения и т.д.

- Развитие нового направления материаловедения и научных школ на базе  НИТУ «МИСиС».

- Создание новых гибридных материалов для медицинских имплантатов с улучшенными механическими свойствами и биосовместимостью, материалов для энергетики, а также многофункциональных композитов для разнообразных применений, в частности, в автомобильной и авиационной промышленности.

- По результатам работ будет опубликовано не менее сорока научных статей и сделано не менее 3-х заявок на патент или полезную модель. Будут защищены как минимум три кандидатских диссертации, а также шесть дипломных работ по теме проекта. 

По теме проекта опубликовано порядка 40 статей.

 

Основные публикации:

 

1.     Microstructure and properties of composite materials based on UHMWPE after mechanical activation, F.S. Senatov, A.A. Baranov, D.S. Muratov, M.V. Gorshenkov, S.D. Kaloshkin, V.V. Tcherdyntsev, Швейцария, Лозанна, Elsevier Science SA, Journal of Alloys and Compounds (DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.12.175)

2.     Responsive materials: A novel design for enhanced machine-augmented composites, Ehsan Bafekrpour, Andrey Molotnikov, James C. Weaver, Yves Brechet, Yuri Estrin, 4 (2014) Article number: 3783, Великобритания, Лондон, Nature Publishing Group, Scientific Reports, (DOI:10.1038/srep03783)

3.     Particle evolution in Mg–Zn–Zr alloy processed by integrated extrusion and equal channel angular pressing: Evaluation by electron microscopy and synchrotron small-angle X-ray scattering, Dmitry Orlov, Daniele Pelliccia, Xiya Fang, Laure Bourgeois, Nigel Kirby, Andrei Y. Nikulin, Kei Ameyama, Yuri Estrin, Великобритания, Оксфорд, Pergamon-Elsevier Science LTD, Acta Materialia 72 (2014) 110-124 (DOI: 10.1016/j.actamat.2014.03.027)

4.     Effect of deformation schedules and initial states on structure and properties of Cu–0.18% Zr alloy after high-pressure torsion and heating, Sergey V. Dobatkin, Daria V. Shangina, Natalia R. Bochvar, Miloš Janeček, Швейцария, Лозанна, Elsevier Science SA, Materials Science and Engineering: A (DOI: 10.1016/j.msea.2013.12.104)

5.     Effect of Rolling on Microstructure and Room Temperature Tensile Properties of Newly Developed Mg-4Li-1Ca alloy, Saurabh Nene, B. P. Kashyap, N. Prabhu, T. Al-Samman, Yuri Estrin, Trans Tech Publications Inc., Adv. Materials Research (DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.922.537

6.     Continuous and Discontinuous α-Ti Layers Between Grains of β(Ti,Co) Phase, B.B. Straumal, A.S. Gornakova, S.I. Prokofjev, N.S. Afonikova, B. Baretzky, A.N. Nekrasov, and K.I. Kolesnikova, США, Нью-Йорк, Springer, Journal of Materials Engineering and Performance (JMEPEG) (DOI: 10.1007/s11665-013-0789-3)

7.     Structure and Fatigue Properties of Cr-Ni-Ti Austenitic Steel after Equal Channel Angular Pressing, Sergey Dobatkin, Werner Skrotzki, Vladimir Terent’ev, Olga Rybalchenko, Andrey Belyakov, Dmitry Prosvirnin, Eugenie Zolotarev, Швейцария, Цюрих, Trans Tech Publications Inc., Materials Science Forum (DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.783-786.2611)

8.     Microstructure evolution of Cu – 22 % In alloy subjected to the high pressure torsion, A. Korneva, B. Straumal, O. Kogtenkova, Y. Ivanisenko, A. Wierzbicka-Miernik, A. Kilmametov, P. Zieba, Великобритания, Бристоль, Institute of Physics Publishing, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering (6th International Conference on Nanomaterials by Severe Plastic Deformation) (DOI:10.1088/1757-899X/63/1/012093)

9.     Dislocation density-based nite element analysis of large strain deformation behavior of copper under high-pressure torsion, Dong Jun Lee, Eun Yoo Yoon, Dong-Hyun Ahn, Byung Ho Park, Hyo Wook Park, Lee Ju Park, Yuri Estrin, Hyoung Seop Kim, Великобритания, Оксфорд, Pergamon-Elsevier Science LTD, Acta Materialia, DOI: 10.1016/j.actamat.2014.05.027

10.  Improving the mechanical properties of pure magnesium by three-roll planetary milling Mathilde Diez, Hyoun-Ee Kim, Vladimir Serebryany, Sergey Dobatkin, Yuri Estrin , Materials Science and Engineering: A 6 (2014) 0921-5093.

11.  Multicomponent materials from machining chips compacted by equal-channel angular pressing, Rimma Lapovok, Yuanshen Qi, Hoi Pang Ng, Verena Maier, Yuri Estrin, Journal of Materials Science 49 (2014) 1193–1204.

12.  Improvement of strength and conductivity in Cu-alloys with the application of high pressure torsion and subsequent heat-treatments. Shangina D.V., Gubicza J. Dodony E., Bochvar N. R., Straumal P. B., Tabachkova N. Yu., Dobatkin S. V. Journal of Materials Science 49 (2014) 6674–6681.

13.  Design of responsive materials using topologically interlocked elements, A. Molotnikov, R. Gerbrand, Y. Qi, G.P. Simon, Y. Estrin Smart Mater. Struct. 24, (2015) 025034.

14.  Gradient structure produced by three roll planetary milling: Numerical simulation and microstructural observations, Ya Li Wang, A. Molotnikov, M. Diez, R. Lapovok, H.-E. Kim, Jing. Tao Wang, Y. Estrin Mater. Sci. Eng. A 639, (2015) 165-172.

Synthesis of Hybrid Materials by Severe Plastic Deformation: A New Paradigm of SPD Processing, Y. Beygelzimer, Y. Estrin, R. Kulagin, Adv. Eng. Materials, DOI: 10.1002/adem.201500083 (2015).

Главный научный сотрудник – 4

Ведущий научный сотрудник – 3

Старший научный сотрудник – 3

Научный сотрудник – 4

Младший научный сотрудник – 5

Ведущий инженер – 1

Инженер 1 к. – 2

Инженер 2 к. -1

Лаборант – 5

 

B том числе:

Студентов  -  5

Aспирантов - 2

 

Лаборатория ГНМ объединяет ведущих специалистов в области материаловедения, которые вместе с заведующим лабораторией обеспечивают научное руководство молодыми учеными, аспирантами и студентами по таким стратегическим направлениям, как развитие методов интенсивной пластической деформации и их применение с целью получения наноструктурированных гибридных материалов, создание новых композитов на базе полимеров, меняющих свойства под влиянием внешних воздействий, и диагностика материалов на микроструктурном уровне. В значительной мере экспериментальные работы в этих направлениях базируются на теоретических разработках и компьютерном моделировании. Лаборатория также располагает инфраструктурой, включающей офисные и лабораторные помещения и необходимое современное оборудование, что позволяет успешно выполнять намеченные научные работы. В научный коллектив уже привлечены и будут привлекаться молодые иностранные сотрудники. Достигнуты принципиальные договоренности и об обмене студентами и аспирантами с рядом зарубежных вузов, включая университеты Метца (Франция) и Поханга (Корея) и университет им. Монаша в Мельбурне (Австралия).  Ряд таких визитов уже состоялся. 

Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика