МИСиС и Университет Тохоку приступают к разработке уникальных металлических стёкол-гибридов для авиации, космоса и микромеханики

Группа учёных НИТУ “МИСиС” и Университета Тохоку (Япония) под научным руководством приглашённого профессора Дмитрия Лузгина приступает к разработке уникальных гибридных металлических стёкол для аэро-космической отрасли, микромеханики и медицины и намерена вывести Россию в мировые лидеры в этом перспективном классе конструкционных материалов. Объём финансирования исследования на 2014-15 гг. 25 млн. руб.

 

Металлические стёкла это металлы/сплавы без традиционной кристаллической структуры, по сути, застывшая жидкость однородный аморфный материал, похожий в данном аспекте на классические оконные стёкла. Получены во второй половине 20 в., однако бум исследований начался в конце 90-х прошлого и начале 00-х гг. текущего века, когда были получены массивные отливки, названные объёмными металлическими стеклами, а интерес к ним связан с целым спектром необычных и выдающихся свойств данного материала

 

"Металлические стёкла (метстёкла) обладают в среднем в 2 раза большими прочностью по сравнению с кристаллическими сплавами близкого химического состава (параметры зависят от конкретных сплавов) и упругостью, более высокой коррозионной стойкостью (в т.ч. по отношению к кислотам, морской воде), повышенными твердостью и износостойкостью. Это обуславливается тем, что в металлических стёклах нет зёренной кристаллической структуры и т.н. границ зёрен, из которых состоят типичные кристаллические материалы, в частности, металлы. В чём же преграда в их массовом распространении? Дело в том, что известные на сегодня метстекла обладают низкой пластичностью, особенно в виде макроскопических изделий. Не секрет, что даже обыкновенное оконное стекло можно деформировать, например, гнуть, до определённого предела. Происходящая деформация, не вызывающая разрушения стекла и позволяющая ему вернуться в исходную форму после прекращения внешнего воздействия, называется упругой деформацией. По достижении же определённого предела материал больше не может деформироваться упруго и начинается пластическая деформация. В обыкновенном стекле такая деформация моментально приводит к его разрушению. Кристаллический металл (или сплав нескольких металлов), наоборот, может легко гнуться, деформироваться, абсорбируя энергию внешнего воздействия. Металлические стекла занимают промежуточное положение между кристаллическим металлом (сплавом), который очень вязкий и может легко деформироваться, и оконным стеклом, которое не может деформироваться пластически", - сказал профессор Лузгин

 

"Задача, которая стоит перед объединённой исследовательской группой, это повысить пластичность и вязкость разрушения объёмных металлических стёкол, сделав их более устойчивыми к разрушению при деформации. Наши предыдущие исследования показали, что определённых результатов можно достичь совершенствованием состава самого стекла. Однако недавно мы обнаружили, что гораздо удобнее произвести новый класс материалов, т.н. материалы-гибриды. Это двухфазные соединения типа металлическое стекло-металлический кристалл, металлическое стекло-полимер, металлическое стекло- квазикристалл. В этом случае материал сочетает свойства и металлического стекла с его прочностью, твердостью и износостойкостью, и пластичность металлического кристалла или полимера. Если мы комбинируем металлическое стекло и полимер, то получаем дополнительно такие свойства, как меньший вес материала и, соответственно, его большую удельную прочность”, - отметил проф. Лузгин

 

Усилия группы учёных из порядка 30 специалистов будут сконцентрированы, в первую очередь, на лёгких металлах с высокой удельной прочностью, в частности, на сплавах титана и магния. “В своей работе мы также стремимся уйти от использования дорогих материалов в составе, что в конечном итоге позволит решить ещё один вопрос на пути массового внедрения металлических стёкол, это проблема их высокой стоимости. С активизацией интереса к данному классу материалов в 90-х гг. поначалу в его составе использовались палладий, лантан, цирконий, что существенно увеличивало стоимость конечной продукции, влияя на ход исследований в области метгласов и замедляя применение данных материалов”, - сказал Дмитрий Лузгин

 

Металлические стёкла являются перспективным материалом для аэро-космической отрасли, автомобилестроения, микромеханики (в т.ч. для часов, смартфонов, микромоторов и др. устройств, где важна высокая износостойкость и высокое качество поверхности), уже сегодня из метстекол делают спортивные товары, в т.ч. клюшки для гольфа, ракетки и др. В силу своей высокой коррозионной стойкости металлические стёкла из титана проходят испытания в качестве имплантатов в медицине, а также для изготовления хирургического инструмента

 

Впервые металлические стёкла были получены в 40-х гг. 20 в. методами электролитического осаждения металлов из растворов и вакуумного низкотемпературного напыления. Исследования показали, что данные материалы не имеют кристаллического строения, т.е. являются металлическими стёклами. Однако начало активному изучению аморфных металлов было положено в 1960 г., когда в Калифорнийском технологическом институте (США) группой под руководством профессора Дюве (англ. Pol Duwez) было получено металлическое стекло Au75Si25. Большой научный интерес к теме стал проявляться с 70-х гг. 20 в., с появлением технологии получения металлических лент толщиной в десятки микрометров, первоначально в США и Японии, а вскоре — в Европе, СССР и КНР

 

Однако расцвет исследований пришёлся на 90-е гг. прошлого века, когда удалось получить первые отливки объёмных металлических стёкол размером от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в каждом из пространственных измерений. Возросший интерес к теме метстёкол был связан в т.ч. с наступившим в конце 20 в. «насыщением» в области материаловедения кристаллических сплавов. Всё большие интеллектуальные и финансовые вложения приносили всё меньшую отдачу, и исследователи с производителями были вынуждены искать новые сферы приложения усилий. Вначале объёмные металлические стёкла изготавливали на основе дорогого палладия, потом лантана (совершенно неконструкционного материала - прим. авт.), затем циркония. В 2000-х гг. объёмные металлические стёкла начали получать из относительно недорогих титана и магния

 

Металлические стёкла изначально не существуют в природе как отдельный материал, на сегодняшний день есть следующие основные способы их получения

 

1. Осаждение газообразного металла 

 

-       Вакуумное напыление

-       Магнетронное распыление

-       Химические реакции в газовой фазе

 

2. Затвердевание жидкого металла 

 

-       Затвердевание из жидкого состояния – метод наиболее удобный для получения больших объёмов материала, в том числе объёмных металлических стёкол

 

3. Нарушение кристаллической структуры твёрдого металла 

 

-       Облучение частицами

-       Воздействие ударной волной

-       Ионная имплантация

 

4. Электролитическое осаждение из растворов

 

Грант профессора Лузгина (управляемый при поддержке лаборатории др-а Солонина, МИСиС) рассчитан на 2 года с возможностью продления. Развиваться проект будет на базе Института новых материалов и нанотехнологий МИСиС, при участии кафедры “Металловедение цветных металлов”, а также лабораторий “Зондовая микроскопия” и “Сканирующая туннельная микроскопия” Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.