Морская раковина — удивительно красивое творение природы. Все знают, что если прислонить ее к уху, то услышишь шум прибоя, вспомнишь о мягком песке, теплых летних днях. Но, оказывается, это еще и эталон, достичь которого стремятся ученые-материаловеды из разных стран, работающие над созданием материалов нового поколения!
В течение 11 лет Томский научный центр Сибирского отделения РАН занимается созданием многослойных металло-интерметаллидных композиционных материалов и моделированием процессов их разрушения. По этой теме налажено взаимодействие с китайскими партнерами.
“Перед нами стояла задача спроектировать, синтезировать многофункциональные соединения с оптимальным набором микроструктур и найти дешевые способы их получения, — рассказывает заместитель начальника отдела структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН Сергей Зелепугин. — Интересно, что саму идею тут подсказала природа: в ходе исследования раковин морских моллюсков в них обнаружилось большое количество тонких слоев. Благодаря этому они обладают выдающимися механическими свойствами, несмотря на то что состоят из непрочных элементов — карбоната кальция (CaCO3) и ряда органических связующих веществ”.
Сейчас авиационная и машиностроительная отрасли как никогда остро нуждаются в качественно новых легких материалах с заданным набором структурных и функциональных свойств, обладающих исключительной стойкостью к внешним воздействиям. Зачастую в одном материале должно сочетаться, на первый взгляд, несовместимое, например, высокая прочность и низкая плотность, износостойкость и электропроводность, жаропрочность, коррозионная стойкость и теплопроводность. Ни один обычный металл или сплав, полимер или керамика не могут обеспечить все это в комплексе! Только объединение нескольких материалов в единое структурное целое, то есть создание композиции, позволяет получить новый материал, свойства которого отличаются от свойств его составляющих.
Даже беглого взгляда на ракушку достаточно, чтобы увидеть ее многочисленные слои. Новые материалы формируются по соответствующему принципу.
Конструкция слоистых композитов зависит от целей, которые ставит перед собой разработчик. Некоторые из них формируются из одинаковых повторяющихся слоев, а другие — из совершенно разных. Отдельные слои, входящие в состав композита, могут иметь непрерывную или дискретную (чешуйчатую, волокнистую) структуру и различную пространственную ориентацию.
Материаловеды разных стран — России, США, Китая — активно работают над созданием подобных “раковин”. В последние годы в качестве новых перспективных материалов рассматриваются металло-интерметаллидные слоистые композиты. Это направление активно развивается в Томском научном центре СО РАН.
“Интерметаллиды — один из классов металлических материалов с особым типом химических соединений разных металлов, от сплавов они отличаются прочными химическими связями, — поясняет С.Зелепугин. — Интерметаллиды обеспечивают повышение коррозионной стойкости, имеют в 20 раз более высокую радиационную стойкость, что особенно важно для космических аппаратов, в пять раз большую удельную прочность”.
Но до того, как любой новый материал будет внедрен в промышленность, впереди его ждет длинный путь — сотни (если не тысячи) различных испытаний, призванных доказать, что он не подведет! Поэтому при анализе поведения новых материалов огромное значение имеет использование численных моделей, с помощью которых и описываются различные процессы, происходящие с материалами. Томск является одним из ведущих российских центров численного моделирования в механике деформируемого твердого тела: работы по этой тематике ведутся в ТНЦ СО РАН, ТГУ. Одна из исключительных особенностей томской школы — создание собственных высокоэффективных программных комплексов, с помощью которых можно решить задачу практически любой степени сложности.
Работа С.Зелепугина по этой тематике, представленная в 2011 году на конференции Американского физического общества в Чикаго, вызвала огромный интерес одного из ведущих китайских исследователей Фенг Чунг Джанга, профессора Харбинского инженерного университета. В течение двух последних лет он инициировал приглашение томской делегации на научные мероприятия, проводимые в Харбине. Затем был подписан меморандум, благодаря которому удастся активизировать и вывести на международный уровень развитие целого ряда направлений, включая и численное моделирование процессов разрушения.
“В Китае очень динамично ведется разработка многослойных металло-интерметаллидных композиционных материалов, что же касается методов численного моделирования, то они находятся в Поднебесной не на столь высоком уровне. Поэтому мы видим огромный интерес к нашему программному комплексу, благодаря возможностям которого можно составить модель того, как будет протекать процесс разрушения того или иного материала, каким будет оптимальный механизм нагружения его слоев. У этого направления сотрудничества есть очень хорошие перспективы”, — отметил С.Зелепугин.
Ольга БУЛГАКОВА
Нет комментариев