Мезомеханика или «концепция Панина»
«Два прошедших десятилетия были связаны с интенсивной разработкой мезомасштабного подхода к исследованию пластической деформации и разрушения твердых тел. Они привели к формированию нового научного направления — физической мезомеханики.
Идея многомасштабности явлений в твердых телах при их пластической деформации и разрушении была сформулирована в томской школе физики твердого тела как концепция структурных уровней деформации твердых тел. Структурные уровни деформации относятся к классу мезоскопических масштабов. Поэтому в литературе их часто называют мезомасштабными уровнями деформации. При этом не всегда осознается, что мезоскопический подход является принципиально новой парадигмой, качественно отличной от методологии механики сплошной среды (макромасштабный подход) и теории дислокаций (микромасштабный подход)», — из доклада академика В. Панина «Физическая мезомеханика материалов — новое направление на стыке физики и механики деформируемого твердого тела».
В 1982 г. в Томской школе физики твердого тела и материаловедения были сформулированы и опубликованы 2 концептуально новых положения в области пластичности и прочности твердых тел:
1. Структурные уровни деформации твердых тел (Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. Известия вузов. Физика. - 1982. - Т. 25. - № 6. - С. 5-27.)
2. Атом-вакансионные состояния в кристаллах.( Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Хон Ю.А., Елсукова Т.Ф. Известия вузов. Физика.- 1982.- Т.25.- № 12.-С. 5-28).
Предлагалась принципиально новая методология в описании пластической деформации и разрушения твердых тел. Она качественно отличалась от существующих представлений в механике сплошной среды и теории дислокаций и на первых порах вызвала резко негативную реакцию. Потребовалось более четверти века, чтобы на основе убедительных теоретических и экспериментальных исследований обосновать новую парадигму пластичности и прочности твердых тел и получить ее признание. Это и было основным научным направлением созданного в Томске в 1984 г. Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Академии Наук СССР.
«В основе традиционной механики лежал одноуровневый подход к описанию механического поведения нагруженного твердого тела на макромасштабном уровне как объекта механики сплошной среды, не учитывающий сложные процессы, происходящие внутри материала. Требовалось развитие принципиально новых подходов - многоуровневых. Заслуга нашего коллектива в том, что мы первыми стали развивать концепцию структурных уровней деформации, то есть учитывать существование иерархии взаимосвязанных разномасштабных промежуточных уровней деформации внутри твердого тела - от электронного до макроскопического. Ведь особенности этой иерархической самоорганизации и определяют поведение твердых тел в различных полях внешних воздействий», - так сам основоположник мезомеханики, академик РАН Виктор Евгеньевич Панин формулирует суть концепции. Сегодня он возглавляет лабораторию физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля.
Под руководством академика В.Е. Панина создано и развивается новое научное направление - физическая мезомеханика материалов, которое органически объединяет механику сплошной среды (макроуровень), физику пластической деформации (микроуровень) и физическое материаловедение.
По мнению академика Панина, традиционное описание физики и механики пластической деформации и разрушения твердых тел основано на линейных законах Ньютона. Между тем деформируемое твердое тело есть нелинейная иерархически организованная система, которая должна описываться нелинейными законами. Это качественно иная парадигма, которая разрабатывается в лаборатории физической мезомеханики. Теоретически и экспериментально показано, что фундаментальную роль в пластичности и прочности твердых тел играет возникновение кривизны их кристаллической решетки. Все деформационные дефекты (дислокации, дисклинации, полосы локализованной деформации и др.) зарождаются только в зонах кривизны кристаллической структуры. Открыто существование в этих зонах принципиально нового дефекта – межузельных вакансий, куда атомы могут переходить из узлов кристаллической решетки. Это позволяет описать поведение твердых тел в экстремальных условиях нагружения, аномальное поведение наноструктурных материалов, хладноломкость сталей с объемноцентрированной кристаллической решеткой, создавать высокопрочные и функциональные материалы новых поколений. Учет в науке о пластичности и прочности твердых тел понятия межузельных вакансий в зонах кривизны кристаллической решетки радикально изменяет существующую механику разрушения, позволяет понять усталостное разрушение конструкционных материалов и контролировать этот процесс, имеет многочисленные практические приложения в современном материаловедении и разработке аддитивных технологий.
Лаборатория механики структурно-неоднородных сред была основана в 1988 году Мусалимовым Виктором Михайловичем (http://www.ifmo.ru/person/178/musalimov.htm), доктором технических наук, профессором, который в то время заведовал кафедрой теоретической механики Томского инженерно-строительного института. Основной тематикой исследования лаборатории являлось изучение процессов разрушения материалов с учетом их структуры. В 1990 году лабораторию возглавил Макаров Павел Васильевич, который руководит лабораторией по настоящее время. С того времени основное направление исследований было переориентировано на численное исследование процессов пластической деформации и разрушения различных материалов (металлов, сплавов, керамик, композитов, геоматериалов) на разных масштабных уровнях в условиях динамического и статического нагружения.
Исследования, которые проводятся в лаборатории материаловедения сплавов с памятью формы базируются на представлениях физической мезомеханики и многоуровневом подходе к иерархически организованным структурам.
Заведующий лаборатории материаловедения сплавов с помощью формы, доктор физико-математических наук, заместитель директора ИФПМ по науке Александр Иванович Лотков
Научные направления фундаментальных исследований, существующие в лаборатории материаловедения сплавов с памятью формы (заведующий лаборатории —доктор физико-математических наук Александр Иванович Лотков):
- физическая природа термоупругих мартенситных превращений и явлений им предшествующих;
- разработка научных основ создания и механизмов формирования модифицированных поверхностных слоев, в том числе наноструктурных, с заранее заданными свойствами в сплавах со сдвигонеустойчивой матрицей с использованием нано – и микросекундных импульсных воздействий ионными и электронными пучками низких и средних энергий;
(это направление ведет доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Мейснер Людмила Леонидовна);
- разработка научных основ и выявление механизмов формирования объемных субмикрокристаллических и наноструктурных состояний в сплавах на основе никелида титана методами интенсивных пластических деформаций; закономерности и особенности структурно-фазовых превращений и неупругих свойств (эффектов памяти формы и сверхэластичности) в этих материалах (разработкой занимается кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Гришков Виктор Николаевич).
Основные направления прикладных исследований, которыми занимается лаборатория:
- разработка технологий формирования покрытий и модификации поверхностных слоев в сплавах на основе никелида титана с высокими тромборезистентностью и гемосовместимыми свойствами с целью создания стентов нового поколения для эндоваскулярной и сердечно-сосудистой хирургии;
- разработка технологий создания сигнальных и исполнительных силовых элементов конструкций и изделий для авиакосмической техники из сплавов на основе никелида титана, проявляющих эффекты памяти формы и сверхэластичности.
Основные разработки лаборатории:
- разработана технология и создано зонтичное устройство из никелида титана с эффектом сверхэластичности с модифицированной ионами кремния поверхностью и средство его доставки для закрытия ушка левого предсердия с целью снижения риска (предотвращения) эмболического инсульта у больных с мерцательной аритмией предсердий.
Работа была выполнена по конкурсу Минобрнауки: госконтракт № 16.522.12.2019. Период выполнения проекта 13 месяцев 2012-2013гг. В выполнении этого комплексного междисциплинарного проекта принимали участие ряд организаций: ИФПМ СО РАН (головная), НИ ТГУ, ИХБФМ СО РАН, НИИ Кардиологии РАМН, ФФМ МГУ; промышленным партнёром был ООО «Ангиолайн», который совместно с ИФПМ СО РАН будет производителем этого высокотехнологичного медицинского изделия. В настоящее время идёт подготовка к его клиническим испытаниям.
Направлениями фундаментальных и прикладных исследований лаборатории физики структурных превращений являются неравновесные структурные состояния в наноструктурных металлических материалах и покрытиях – закономерности формирования, микроструктура и механические свойства в различных условиях интенсивных внешних воздействий и синтеза, а также фундаментальные основы создания новых технологий и материалов для активных зон ядерных реакторов нового поколения. Исследования ведутся под руководством доктора физико-математических наук, профессора Александра Николаевича Тюменцева.
Установлено, что важной особенностью нанокристаллических структур является способность к формированию неравновесных состояний с высокими значениями упругих дисторсий кристаллической решетки. Обнаружено явление локализации деформации в области упругих дисторсий и образование нового типа дефектов - нанодиполей частичных дисклинаций, представляющих собой зоны локализации заторможенных упругих сдвигов и поворотов. Разрабатываются новые подходы к анализу механизмов формирования и пластической деформации объемных нанокристаллических материалов.
Показано, что перспективным направлением повышения жаропрочности новых малоактивируемых сплавов (ферритно-мартенситных сталей и сплавов ванадия) как конструкционных материалов активных зон реакторов новых поколений является их дисперсное упрочнение наноразмерными частицами неметаллических фаз. Предложены новые методы такого упрочнения: в процессе термомеханической (ТМО) и с использованием химико-термической обработки (ХТО) обработки. Методы защищены тремя патентами и двумя «ноу-хау».
Развиты новые подходы к формированию многоэлементных покрытий и поверхностных слоев, обеспечивающих высокие значения их прочности и износостойкости.
Лабораторию физики прочности возглавляет доктор физико-математических наук, профессор Лев Борисович Зуев. В лаборатории проведены исследования природы макроскопической локализации пластической деформации. На широком круге металлов и сплавов, а также на горных породах показано, что пластическая деформация во всех случаях протекает локализовано. В этом процессе деформируемая среда самопроизвольно расслаивается на деформирующиеся и недеформирующиеся слои. Возникающая картина чередования слоев зависит от условий деформирования и от структуры материалов. Удалось показать, что такие картины являются особыми периодическими процессами, называемыми автоволнами локализованного пластического течения. В ходе проведенных исследований были установлены наиболее важные закономерности рождения и развития автоволн и разработана модель явления. Существенным результатом исследований явилось установление количественной связи между пластической и упругой деформацией среды и взаимозависимости этих явлений.
Полученные результаты были использованы в промышленности при оптимизации производства изделий для атомной энергетики из сплавов циркония на Чепецком механическом заводе Росатома. Применение установленных закономерностей позволило совместно с коллективом этого предприятия усовершенствовать процесс прокатки тонкостенных труб для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов типа ВВЭР, повысить срок службы и разработать новый сплав с повышенной прочностью.
Лабораторей физического материаловедения руководит кандидат физико-математических наук Евгений Владимирович Найдёнкин. Здесь разработаны научные основы формирования ультрамелкозернистой (нано-) структуры в объемных заготовках металлических материалов с использованием различных методов интенсивной пластической деформации в сочетании с последующей термообработкой в интервале температур ниже температуры рекристаллизации. В наноструктурных металлах и сплавах, полученных указанными методами, обнаружена низкотемпературная аномалия зернограничной диффузии, проявляющаяся в значительном (на несколько порядков) увеличение коэффициентов и почти двукратном уменьшении энергии активации диффузии по сравнению с соответствующими для крупнозернистых аналогов. Прямыми диффузионными экспериментами установлено, что высокие скорости массопереноса обусловлены неравновесным высокоэнергетическим состоянием границ раздела в таких материалах, вследствие чего, диффузионно-контролируемые процессы в них развиваются при значительно более низких (на несколько сотен градусов) температурах. По результатам исследований сотрудниками лаборатории за последние 10 лет опубликовано более 100 работ в российских и зарубежных рецензируемых журналах, получено 5 патентов РФ.
На основе результатов экспериментальных исследований разработаны наноструктурные титановые сплавы с размером зерен менее 200 нм и повышенными на 30-50% прочностными характеристиками по сравнению с крупнозернистыми аналогами при сохранении удовлетворительной пластичности (>6%). Показано, что полученная наноструктура остается стабильной до сравнительно высоких температур (~0,5Тпл), при этом температура проявления сверхпластичности (возможной формовки изделий) в таких материалах снижается примерно на 200 градусов. Использование наноструктурных титановых сплавов в качестве материала волноводов ультразвуковых акустических систем позволило на несколько порядков повысить ресурс их работы в условиях повышенной плотности мощности (амплитуды 100 мкм и выше). В настоящее время совместно с АО «Информационные спутниковые системы» ведутся прикладные научные исследования, направленные на разработку высокопрочных ультрамелкозернистых титановых сплавов в виде прутков круглого сечения для изготовления ответственных деталей и узлов ракетно-космической техники.
Одним из основополагающих принципов физической мезомеханики, предложенных в работах В.Е. Панина, является утверждение о фундаментальной роли поверхности как особого состояния твердого тела. Идеи В.Е. Панина легли в основу научного направления лаборатории физики поверхностных явлений, основатель которой, профессор Е.В. Чулков, сейчас успешно работает в Научно-исследовательском институте г. Сан-Себастиан(Испания).
В настоящее время лаборатории физики поверхностных явлений под руководством доктора физико-математических наук, доцента Алексея Викторовича Панина выполняются теоретические исследования электронных и колебательных свойств поверхности металлов и полупроводников, тонких плёнок и атомных кластеров. Полученные результаты успешно применяются в ведущих зарубежных научных центрах при конструирования новых перспективных материалов для наноэлектроники и спинтроники.
В тесной коллаборации с Тайваньскими коллегами в лаборатории проводятся экспериментальные исследования механизмов деформации и разрушения тонких пленок для электроники.. Кроме этого, в лаборатории разрабатываются физические основы методов наноструктурирования поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесения наноструктурных покрытий, позволяющие кратно повысить износостойкость, усталостную долговечность, коррозионную стойкость, ресурс работы и надежность высокоответственных конструкций.
Научные исследования, выполняемые сотрудниками лаборатории, поддержаны грантами Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований, и др. Актуальность и высокий уровень получаемых результатов подтверждается публикациями в высокорейтинговых международных журналах, таких как Nature Communications, Physical Review, Surface Science и др.
В лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов под руководством доктора физико-математических наук, профессора Шаркеева Юрия Петровича на основе подходов физической мезомеханики методами интенсивной пластической деформации получены и исследованы наноструктурное и ультрамелкозернистое состояния в биоинертных сплавах на основе титана, циркония и ниобия. Наноструктурное и ультрамелкозернистое состояние обеспечивает значительное повышение механических свойств при сохранении величины модуля упругости. Исследованы кальцийфосфатные биопокрытия, полученные на биоинертных сплавах ионно-плазменными методами, покрытия способствуют остеоинтеграции имплантатов с костной тканью. На основе фундаментальных исследований разработан комплект дентальных имплантатов из наноструктурного / ультрамелкозернистого титана ВТ1-0 с инструментами и принадлежностями, в том числе с кальцийфосфатным покрытием, показавших высокие остеоинтеграционные свойства, получено разрешение к производству, продаже и применению на территории РФ.
Лабораторию физикохимии высокодисперсных материалов ИФПМ СО РАН возглавляет заведущий лаборатории, доктор технических наук Лернер Марат Израильевич. Главное направление работы лаборатории – синтез, исследование характеристик и разработка областей применения наноразмерных и наноструктурных материалов. В частности, синтезированы и исследованы свойства иерархически организованных структур на основе гидроксидов алюминия. На их основе разработаны фильтровальные материалы для очистки водных сред от микробиологических загрязнений и коллоидных частиц. Созданы принципиально новые антимикробные перевязочные материалы, не содержащие антибиотиков и антисептиков, что позволило решить проблему резистентности микроорганизмов для поверхностных ран различной этиологии.
Показано, что такие структуры являются перспективной основой для создания новых противоопухолевых препаратов нетоксического действия и медицинских технологий для лечения злокачественных новообразований.
В сотрудничестве с ООО «Аквелит», Томск, создано производство фильтров для очистки воды от микробиологических загрязнений. Совместно с ОАО «ФНПЦ» Алтай», г.Бийск разработана технология и создано производство антимикробного перевязочных материалов.
Микробиологический фильтровальный материал позволяет очищать воду от бактерий и вирусов с эффективностью не менее 99,99%. Антисептический ранозаживляющий перевязочный материал снижает в 2-3 раза время заживления инфицированной раны и предотвращает формирование рубцовых тканей.
Заведущий лаборатории физикохимиии высокодисперсных материалов, доктор технических наук Марат Израильевич Лернер
Лабораторией компьютерного конструирования материалов под руководством директора института, члена-корреспондента РАН Сергей Григорьевича Псахье предложен подход к управлению смещениями в зонах сейсмически активных разломов или в их высоконапряженных фрагментах в «квазивязком» режиме, который может быть использован при разработке методов сейсмически безопасного снижения уровня локальных напряжений в геологической среде.
Исследованы особенности структурообразования плазменного двухкомпонентного кристалла. Показано, что система сферических заряженных частиц двух сортов, находящихся в плазме, имеет тенденцию к образованию оболочечной структуры. Каждая из оболочек содержит частицы одного сорта. Изучено поведение плазменно-пылевой системы в условиях невесомости и в лабораторных условиях.
Показано, что границы зерен аккумулируют в своей области значительную долю радиационных дефектов и препятствуют распространению каскадов атомных смещений.
На основе компьютерного моделирования было показано, что хрупкие пористые тела могут разрушаться в «квазивязком» режиме исключительно за счет особенностей структуры пористого пространства.
Показано, что вибрационное воздействие на предварительно нагруженные образцы интерфейсно-контролируемых материалов с частотами, превышающими собственные значения для исследуемых образцов, приводит к увеличению их деформационной способности.
Предложен ряд связанных моделей твердофазных превращений с учетом взаимовлияния разных физических и химических процессов, деформирования и разрушения в зоне реакции. На основе связанных моделей показано, что детонационный режим распространения твердофазной реакции есть такое же свойство экзотермически реагирующего вещества, как и режим медленного горения (за это была присуждена премия им. М.А. Лаврентьева);
Предложено обобщение модели механики сплошной среды для описания необратимых процессов в средах с большим числом внутренних поверхностей и механического поведения таких сред, в том числе для наноматериалов. На основе этого подхода дано объяснение и предложены модели для таких явлений, как диффузионно-активированная рекристаллизация и диффузионная ползучесть; выявлены различные механизмы ускорение массопереноса в условиях квазистатического и динамического нагружения, установлено, что нельзя говорить о диффузии в объеме и по границам зерен применительно к наноматериалам вследствие взаимовлияния внутренних границ
Предложены оригинальные модели формирования структуры покрытия при электронно-лучевой наплавке, формирования переходной зоны в процессе диффузионной пайки разнородных материалов; соединения материалов с использованием СВ-синтеза в режиме теплового взрыва и режиме горения, формирования зоны термического влияния в процессе электронно-лучевой наплавки покрытия с учетом усадки порошкового слоя; формирования структуры корневого слоя в процессе сварки; модель кислородной резки металлов, учитывающая основные технологические параметры процесса, и др. Модели используются как для расширения знаний о наблюдаемых физических явлениях, так и для исследования путей управления технологическими процессами.
В структуру института органично входят:
Лаборатория физики упрочнения поверхности
Лаборатория физики наноструктурных функциональных материалов
Лаборатория физики нелинейных сред
Лаборатория механики структурно-неоднородных сред
Лаборатория композиционных материалов
Лаборатория механики полимерных композиционных материалов
Лаборатория материаловедения покрытий и нанотехнологий
Конструкторско-технологическое бюро
Международный центр исследований по физической мезомеханике материалов
Лаборатория контроля качества материалов и конструкций
Тематика исследований лабораторий тесно связана с основной концепцией мезомеханики, это хорошая добротная томская научная школа. Академик Панин, долго возглавлявший институт, сейчас является его научным руководителем.С 2002 года по сегодняшний день директор ИФПМ — доктор физико-математических наук Сергей Григорьевич Псахье.
Высокие достижения учёных в исследованиях постепенно выкристаллизовываются в промышленные разработки. Россия получит качественно новые материалы в авиационной, космической и медицинской сфере.
С мая 1998 года в Институте начал издаваться международный научный журнал «Физическая мезомеханика» на русском и английском языках. С 2007 года англоязычная версия журнала "Physical Mesomechanics" издается международным издательством Elsevier B.V.
Испытательная система Instron 3369, коллектив лаборатории структурных превращений
Рентгеновский дифрактометр Shimadzu XRD 6000.
Последовательный рентгеновский флуоресцентный спектрометр Lab Center XRF-1800, коллектив лаборатории структурных превращений
Система с электронным и сфокусированным ионным пучками Quanta 200 3D.
Просвечивающий электронный микроскоп Philips CM 30, заведующий лабораторией структурных превращений, доктор физико-математических наук, профессор Александр Николаевич Тюменцев
Просвечивающий электронный микроскоп Philips CM 30.
Заведующий лабораторией механики полимерных композиционных материалов, зам. директора по научной работе, доктор технических наук, профессор Сергей Викторович Панин
Оптический профилометр New View 6200, младший научный сотрудник Антон Викторович Бяков
Сервогидравлическая испытательная машина UTM 150 BISS
Сервогидравлическая испытательная машина Nano BISS
Сервогидравлическая испытательная машина Nano BISS
Термопресс Gotech 7014-R
Советник РАН, академик РАН Виктор Евгеньевич Панин
Директор Института физики прочности и материаловедения, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, Вице-президент СО РАН Сергей Григорьевич Псахье
Материал подготовила Т.Котляревская
| 