О том, какие возможности открывает эта инновационная технология нам рассказал профессор кафедры компьютерного моделирования и нанотехнологий физического факультета ЮУрГУ, доктор физико-математических наук Александр Яловец.
Ядерный взрыв в миниатюре
— Как зародилась эта идея?
— Все начиналось еще в 50‑е годы прошлого века, когда ученые Советского Союза и США, осознав опасность ядерных испытаний, с помощью ускорителей заряженных частиц пытались в лабораторных условиях смоделировать процессы, происходящие при атомном взрыве. Это потребовало создания мощных электрофизических установок, способных выстреливать сверхмощные потоки быстрых электронов с огромной плотностью тока. Хотя кинетическая энергия таких электронов гораздо меньше, чем в коллайдере или синхрофазотроне, их мощность на единицу площади пучка составляет сотни и тысячи мегаватт на квадратный сантиметр.
В 80-х годах ХХ века мощные электронные пучки, а позже ионные и плазменные, стали использоваться для создания сверхпрочных материалов. Речь идет о воздействии энергетических потоков на вещество, которое меняет свою структуру. Электронные, ионные или плазменные пучки с невероятной скоростью проникают внутрь материала, он начинает плавиться при высочайшей температуре. Время воздействия мизерное — десятки наносекунд, но вещество приобретает совершенно новые свойства.
Энергия атомов
— Для этого потребовалось новейшее оборудование, способное создавать условия, во многом схожие с процессами, происходящими внутри звезд?
— В последнее время у нас открылись новые возможности. Была приобретена уникальная установка РИТМ–М, созданная Томским институтом сильноточной электроники СО РАН. Ее сердце — сильноточный электронный ускоритель и два магнетрона: напыленную на подложку пленку облучаем электронным пучком, а на выходе получаем сверхпрочное покрытие.
Мало того, наши ученые создали плазменную пушку для исследований сверхмощных энергетических потоков. Это разработка кандидата физико-математических наук (сейчас он на эту тему пишет докторскую диссертацию) Артема Лейви. Уникальная установка генерирует компрессионный поток плазмы, позволяет проводить эксперименты по его воздействию на вещество.
— Что происходит с обстрелянным материалом?
— Под воздействием звездных температур верхний слой расплавляется, меняется микроструктура, фазовый состав сплава, состоящего из разных элементов, происходит гомогенизация, он становится более однородным. А зерна, из которых состоит металл, уменьшаются, это важное условие повышения прочности.
Чтобы получить материал с нужными свойствами, необходимо найти оптимальный уровень энерговоздействия. Для ускорения подбора мы используем компьютерное моделирование этих сложнейших процессов, прогнозируем конечный результат. Причем передача энергии рассчитывается на атомном уровне, на котором действуют законы квантовой механики микромира.
Сровняем кратеры!
— При этом возникают и свои проблемы?
— Проблема в том, что нередко наблюдаются некие нежелательные эффекты, происхождение которых до последнего времени оставалось загадкой. На поверхности материала появляются кратеры, ухудшающие прочность. Мы выстроили теорию их образования. Оказалось, что в ходе теплового расширения металла его верхний слой устремляется с ускорением навстречу пучку электронов. А поскольку сила инерции направлена «внутрь», на поверхности расплава, подобно кругам на воде, образуются гравитационные волны. Когда энергопучок отключается, наступает своего рода невесомость, и создаются условия для развития так называемой неустойчивости Рихтмайера — Мешкова, с проникновением одной среды в другую. Это и ведет к образованию кратеров.
Но и здесь мы нашли выход. Поверхность металла сглаживается, если подобрать нужный, более мягкий режим облучения пучком плазмы или электронов!
— Но идеально ровная поверхность — не всегда плюс…
— Мы обнаружили любопытный эффект. При облучении «мишени» плазменным импульсом образуется волнообразная поверхность. Как выяснилось, расплав растекается по ней с быстрым торможением, накапливается упругая энергия, и происходит деформация кольца. Казалось бы, это минус, но, как показали эксперименты, волна сработала в плюс! Если на такую подложку магнетронным напылением нанести покрытие, обработать его электронным пучком, получится гладкая поверхность, которая хорошо держится на чужом металле.
Прогнозируя композиты
— А как быть с металлокерамикой, композитами?
— Наш аспирант Наталья Дюрягина разработала теоретическую модель электрофизических свойств нанокомпозитных материалов. Она позволяет описать электропроводность таких материалов, их оптические свойства в зависимости от материала наночастиц, их концентрации и размера. На основе разработанной теории изучаем радиационное воздействие на различные нанокомпозиционные материалы.
Оказалось, что радиационная проводимость таких материалов существенно возрастает, причем они приобретают совершенно новые свойства! Главная ценность таких исследований в том, что они позволяют понять природу явлений, протекающих в нанокомпозитах, объяснить экспериментально наблюдаемые эффекты.
Кроме того, мы изучаем воздействие интенсивных потоков энергии на композиционные материалы. Основная цель этих исследований — выяснение возможности создания материалов с высокой радиационной стойкостью.
Командирские не промокнут!
— Где ваши методы могут найти практическое применение? И что это дает?
— Импульсный отжиг материалов позволит создавать материалы будущего, прогнозировать их свойства. Износостойкость режущего инструмента с таким покрытием повышается в 2-5 раз, а надежность трущихся деталей, например, в двигателе автомобиля — в 2-4 раза. К тому же вдвое улучшается коррозионная стойкость поверхностей деталей, что особенно ценно для продления жизненного срока авиационных двигателей. Это позволит повысить и динамическую прочность металла при ударных воздействиях.
Радиационная технология с потоком ионизирующего излучения поможет рассчитывать термодинамические нагрузки на материал, прогнозировать появление микрократеров. Обработка материалов мощными потоками ускоренных заряженных частиц и плазмы улучшит их эксплуатационные характеристики, даст эффект, который невозможно получить обычными способами. У радиационных технологий масса преимуществ перед традиционными: возможность обработки высокоточных деталей сложной формы, сокращение времени на нее, автоматизация процесса…
— И уже есть реальные результаты?
— Примером тому применение данной технологии для обработки деталей часов для морской авиации. В условиях повышенной влажности есть опасность коррозии. Традиционный гальванический метод нанесения на хронометры антикоррозионных покрытий зачастую малоэффективен, влага со временем проникает в металл. Мы же нанесли на латунный корпус медную и никелевую пленку с помощью магнетронного напыления и облучения сильноточным пучком электронов, и результат обнадеживает. Часовые механизмы прошли испытания на коррозию в соленом тумане и оказалось, что образцы с электронным покрытием служат вдвое дольше, чем с гальваническим.
Медицина и мирный атом…
— А какие возможности открываются для медицины, биологии?
— Технологию сглаживания кратеров поверхности металла уже применили японцы в стоматологии, при обработке зубных протезов. Заготовки обрабатываются пучком электронов, и поверхность получается без малейших изъянов. Отшлифованные электронным пучком протезы суставов тоже будут идеально гладкими. В Японии также внедрили плазменную заточку бритв, медицинских игл. Такие тончайшие иглы можно применять в микрохирургии глаза, при исследовании клеток.
Электрофизические методы уже осваивают производство, и спектр их применения расширяется.
— В атомной энергетике одна из главных проблем — постепенный износ материалов…
— Плазменное либо электронное облучение, возможно, поможет и ее решению. Взять защитное покрытие тепловыделяющих элементов (ТВЭЛы) ядерных реакторов. Чтобы их стальные стержни с алюминиевым покрытием служили дольше, на мой взгляд, есть резон использовать наши высокие технологии.
Большие возможности, я считаю, открываются и в связи с проектированием источника энергии будущего — термоядерного реактора. Над этим российские ученые работают еще со времен экспериментов в рамках проекта «ТОКАМАК» — установки для магнитного удержания плазмы и создания условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Но кроме «магнитной ловушки», для удержания плазмы нужно создать и сверхпрочный материал стенок реактора, способный выдержать высочайшие температуры и давление плазмы.
Наш поточный метод — один из вариантов создания такой брони. Мы продолжаем исследования, и я уверен: энергетическая пушка еще преподнесет немало открытий, во многом изменяющих мир.
по материалам сайта up74.ru