Материаловедение

Отличить живого человека от любых других предметов, состоящих из различных материалов, можно по трем важным функциям: сенсорная, процессорная, исполнительная. То есть, человек воспринимает изменения окружающей среды, анализирует эти изменения, принимает решение и действует в соответствии с принятым решением. В мировом материаловедении сформулировали глобальную задачу на ближайшие сто лет – создать неживой материал, который бы обладал всеми тремя функциями.

Лаборатория прочности материалов математико-механического факультета СПбГУ занимается подобными исследованиями и многими другими интересными разработками. Заведующий лабораторией Волков Александр Евгеньевич, профессор, доктор физ.-мат. наук вместе с кандидатом физ.-мат. наук Ресниной Натальей Николаевной рассказали о работах, выполняемых в лаборатории прочности материалов СПбГУ.

Основными направлениями научных исследований в лаборатории являются:

1. Изучение механических свойств материалов в условиях активной деформации, ползучести, различных режимов изменения нагрузки, температуры и гидростатического давления.

2. Изучение физических и механических свойств сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ) при статическом и динамическом нагружении, нейтронном облучении, ультразвуковом воздействии и др.

3. Разработка применений материалов с эффектом памяти формы.

4. Формулировка определяющих уравнений и моделирование на их основе процессов деформации и разрушения материалов, в том числе, материалов с памятью формы.

На сегодняшний день в мире не существует материала, который бы обладал всеми тремя важными функциями, присущими живому человеку (сенсорная, процессорная и исполнительная). В данный момент ученые создали, так называемые, смарт материалы или «умные материалы», у которых обнаруживается две из трех функций. Исследованием смарт материалов занимаются в Лаборатории прочности материалов СПбГУ. В лаборатории изучают сплав с памятью формы никелид титана или Ti-Ni. Памятью формы обладают и другие сплавы, но в лаборатории СПбГУ занимаются именно Ti-Ni. Этот материал называется умным, так как ему присущи две функции из трех. Во-первых, он чувствует изменение температуры, во-вторых, изменяет форму. Говоря научным языком, в материалах с эффектом памяти формы механизмом деформации служит обратимое термоупруroe мартенситное превращение, заключающееся в том, что в процессе охлаждения материал из одного состояния, называемого аустенитом, переходит в другое - мартенсит (прямое превращение). При нагреве происходит обратное превращение. Переход характеризуется перестройкой кристаллической решетки, сопровождающейся ее деформацией. Обратимость превращения обеспечивает обратимость деформации, достигающей 8-10%. Температуры мартенситных превращений сильно зависят от химического состава сплавов, их термической и механической обработки и могут находиться как в районе комнатной, так и температуры жидкого азота или достигать 150°C и выше. Сплавы с эффектом памяти формы обладают не только этим одним функциональным свойством, но и другими, также связанными с обратимыми мартенситными превращениями, среди которых следует назвать, сверхупругость, сверхпластичность, способность генерировать напряжения, обратимая память формы.

Умные материалы имеют очень широкий спектр практического применения. Например, в Италии создали ткань, с вшитыми нитями из материала с памятью формы. Из этой ткани сшили рубашку с рукавами, которые сами закатываются при повышении температуры на улице. Наибольшую популярность данные материалы приобрели в медицине и космосе. Сейчас наша лаборатория занимается изучением пористого никелида титана, который может использоваться в имплантологии. Осуществляем поиск медицинские учреждения для совместных исследований. Что касается космоса, то есть потрясающие примеры, когда были спроектированы и изготовлены термомеханические соединения для 15-метровой ферменной конструкции «СОФОРА», смонтированной на борту космической станции «Мир» в 1991 г.; разработан и испытан привод трансформируемой фермы «РАПАНА», раскрытой на станции «Мир» в 1993 г.

Важнейшие результаты исследований:

1. Выполнен цикл исследований структурной сверхпластичности. Сформулированы условия, приводящие к возникновению сверхпластичного состояния.

2. Выполнен большой цикл работ по исследованию деформационных эффектов в сплавах с мартенситными фазовыми превращениями. Впервые открыты эффекты деформации ориентированного превращения, реверсивной памяти формы и др.

В данный момент в лаборатории занимаются изучением свойств тонких лент с памятью формы. Специалисты лаборатории прочности материалов СПбГУ понимают, что такие материалы весьма полезны в микроэлектронике, но возникает вопрос, каким образом от исследования перейти к практическому внедрению материала в процесс изготовления каких-либо устройств. Для подобного перехода, от науки к практике, нужно вести совместную работу всем заинтересованным организациям.

Лаборатория прочности материалов математико-механического факультета СПбГУ обладает уникальным сочетанием из специалистов высокого уровня и научно-экспериментальной базы, необходимого для проведения любых экспериментов и исследований, направленных на прикладное применение разнообразных разработок.