Новосибирские ученые создали установку для изучения атомной структуры металлов во время трения с использованием синхротронного излучения

Ученые НГТУ создали специальную экспериментальную установку для изучения процессов трения металлов с помощью синхротронного излучения. Устройство позволяет поместить подвергаемую трению поверхность экспериментального образца в зону рентгеновского луча диаметром 1 мкм. В отличие от рентгеновского излучения, которое традиционно применяют для изучения изменений металлов в процессе трения, синхротронное излучение, отличающееся высокой интенсивностью, дает возможность изучить процесс на уровне атомных построений, то есть с максимальной детальностью. Установка дает возможность исследовать металлы и их сплавы на основе железа, меди, алюминия, титана.

«Человечество многие сотни лет борется с изнашиванием поверхностных слоев изделий машиностроения, возникающим в результате трения. Однако мы до сих пор мало знаем, что происходит с металлическим материалом на уровне атомных построений непосредственно в момент деформации трением. Мы знаем результат трения, но плохо понимаем, что происходит с металлом «в режиме реального времени». В структуре металла происходят изменения, которые проявляются и исчезают в течение долей секунды. Но микродифрактометрия с использованием синхротронного излучения позволяет оценить изменения микроструктуры в поверхностном слое материала, происходящие во время трения, в течение тысячных долей секунды», — объяснил смысл проводимых исследований заведующий кафедрой материаловедения в машиностроении Владимир Буров.

Опытный образец установки уже был опробован командой молодых ученых НГТУ в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле летом 2018 года, сейчас идет расшифровка полученных результатов. В Европейском центре синхротронного излучения были записаны терабайты информации об изменении структуры различных металлических материалов. Результаты этих исследований дают знания, имеющие большое значение для практики: о процессах, протекающих непосредственно в зоне деформации. При этом выполняется задача подготовки специалистов для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) — перспективного российского источника синхротронного излучения, который должен появиться в Новосибирске в рамках проекта «Академгородок 2.0».

В НГТУ также создана и испытана аналогичная установка для исследования эволюции структуры металлов с помощью действующего синхротрона ВЭПП-4 в Институте ядерной физики СО РАН. Предполагается, что применение аналогичной установки на проектируемом оборудовании СКИФ позволит проводить исследования на принципиально новом уровне точности. Инициатором работ по изучению трения металлов с помощью синхротронного излучения является выпускник НГТУ академик РАН Геннадий Кулипанов.

«Изучив процесс эволюции структуры металла на уровне кристаллической решетки, мы сможем изменять металлы целенаправленно, а не наугад, как это часто происходит сейчас. Возможно, в результате у нас получится значительно увеличить износостойкость материалов, а значит, значительно продлить срок службы различных машин и механизмов, ведь процесс трения присутствует практически во всех современных механизмах», — говорит ректор НГТУ, профессор кафедры материаловедения в машиностроении Анатолий Батаев. Предполагается, что установка для изучения трения металлов сможет быть использована для исследовательской кооперации сибирских вузов, в которых изучают свойства материалов, в частности НГУ, ТГУ, ТПУ и НГТУ.

Первые исследования структуры металлов в процессе трения были начаты по инициативе академика Г. Н. Кулипанова в 2000 году. НГТУ уже на протяжении нескольких лет использует центр коллективного пользования синхротронного излучения при ИЯФ для проведения исследований эволюции структуры металлических материалов. Исследования структуры материалов с использованием синхротронного излучения имеют большое значение для подготовки научных и инженерных кадров для СКИФ.

НГТУ готовит не только установки для исследований в СКИФ, но и кадры для работы на синхротроне. В 2019 году на факультете автоматики и вычислительной техники и на механико-технологическом факультете пройдет первый набор магистрантов по двум направлениям: «Приборостроение» (профиль: «Информационно-измерительные и управляющие системы в ускорителях заряженных частиц») и «Материаловедение и технологии материалов» (профиль: «Синхротронные, нейтронные и электронные методы исследования материалов»).

Напомним, что в апреле 2018 года состоялось торжественное подписание пятилетнего договора между Новосибирским государственным техническим университетом и Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ). В документе говорится, что НГТУ будет проводить подбор студентов старших курсов для последующего трудоустройства в ИЯФ и подготовке обслуживающего персонала для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Институт, в свою очередь, будет содействовать проведению в НГТУ научно-исследовательских работ, представляющих интерес для ИЯФ. Студенты и аспиранты НГТУ получат возможность проходить все виды практики в ИЯФ. Предполагается, что НГТУ будет участвовать во внедрении в производство разработок одного из ведущих институтов СО РАН.

Справка:

«СКИФ» — Сибирский Кольцевой Источник Фотонов, перспективный российский источник синхротронного излечения, подготовка к строительству которого сейчас идет в Новосибирске в рамках проекта «Академгородок 2.0». Работу над синхротроном планируют начать в 2019 году и завершить за 5 лет. Проект оценивается в 40 млрд рублей: 20 млрд будет стоить сам источник и столько же — научные подстанции, одной из которых может стать станция исследования новых материалов. Первая очередь проекта обойдется в 29,3 млрд рублей, вторая — в 10,7 млрд рублей.