Сверхпрочные материалы из России

Руслан Валиев — о настоящих нанотехнологиях и внедрении разработок в России

Руслан Валиев

О разработанных в России сверхпластичных и сверхпрочных материалах, сверхлегких проводниках и инновационной имплантологии «Чердаку» рассказал один из наиболее цитируемых российских ученых (Индекс Хирша h=75), директор Института физики перспективных материалов УГАТУ, член Международного совета МИСиС, профессор Руслан Валиев.

— Что такое наноматериалы и каких видов они бывают?

— В РОСНАНО было введено определение: наноматериалы — это материалы, в которых какой-нибудь из структурных элементов меньше ста нанометров. Например, наночастица — это частица, у которой диаметр меньше 100 нм. У данного определения есть некоторое физическое обоснование, потому что при этом размере часто происходит изменение характеристик материала, например длины пробега дислокаций.

Разные виды наноматериалов различают чисто геометрически: наночастицы, наноструктурные покрытия, нанослои и объемные наноструктурные материалы.

Наночастицы в последнее время вызывают огромный интерес. Прежде считалось, что они очень вредны для здоровья, так как могут проходить через кожу и даже через мембраны клеток. Но позднее было показано, что если частицу сделать ферромагнитной (ферромагнетик — вещество, которое способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля — прим. «Чердака»), то ей можно управлять и использовать это, к примеру, для локальной доставки лекарств. За этим будущее в лечении онкологии.

Второе — это различные покрытия на поверхности, которые, как правило, наноструктурированы. Они очень широко применяется в технике и медицине. К примеру, не бывает режущих инструментов без покрытий. В машиностроении многие детали имеют защитные покрытия, и сейчас уже ни у кого не вызывает сомнений тот факт, что если покрытие сделать многослойным, то оно приобретает замечательные прочностные свойства.

Руслан Валиев


Третье — это нанослои. Для получения очень тонких чередующихся слоев используются различные методики, например напыление. Особенно активно это применяется в электронике. Вспомните, каким был телефон лет 15—20 назад, и посмотрите на экран вашего смартфона — это наглядная демонстрация прогресса в области наноматериалов. Но это мини-слои, и никто не называет такие материалы объемными. Я же специалист по объемным наноструктурным материалам.

— В чем отличие созданных вами материалов от наночастиц?

— Это большие, объемные заготовки материала, к примеру железа, наноструктурированные внутри. Когда речь заходит об объемных наноструктурных материалах, прежде всего рассматривают металлы. Это имеет большое значение — вы видите, сколько вещей по-прежнему делается из металла: мосты, самолеты, машины. Металлы являются поликристаллическими материалами, а любой такой материал состоит из отдельных граничащих друг с другом кристаллов или зерен. Обычно размер зерен составляет 20—30 мкм, может быть 100 мкм, но специальными методами можно получить материалы, у которых размер зерен лежит в нанодиапазоне — порядка 100 нм. Когда мы впервые получили образцы объемного наноструктурного материала в лаборатории, они имели размер около сантиметра, а внутри состояли из нанозерен. Потом, используя методы интенсивных пластических деформаций, мы смогли увеличить размер образцов до десятков сантиметров и метров. Есть планы скоро дойти и до километровых прутков и проволок.

— В чем заключается ваш метод, почему он так эффективен?

— В Троицке есть Институт физики высоких давлений РАН, и там 60—70 лет назад было сделано открытие: на углерод воздействовали большими давлениями и таким образом синтезировали первый искусственный алмаз. Углерод как был, так и остался химически углеродом, но произошла перестройка атомно-кристаллической решетки. Мы используем меньшие давления — в несколько тысяч мегапаскалей (МПа), но одновременно применяем очень большие деформации. Например, можно сжать образец и при этом деформировать его кручением. Это и называется методом интенсивных пластических деформаций.

При таких давлениях атомно-кристаллическая решетка не перестраивается в другую, но дефектная структура меняется совершенно. Кристаллическая решетка всегда имеет некоторые дефекты: линейные, точечные. Плотность таких дефектов при одновременном воздействии давления и деформаций становится максимально близкой к предельной. В этих предельных состояниях и происходит перестройка дефектов с формированием очень мелких зерен. Это было впервые показано в начале 90-х годов, и тогда же мы впервые получили наноматериал с помощью деформаций.

— Какие новые свойства приобретают объемные наноструктурные материалы?

— Из базовых физических соотношений для наноматериалов сразу было ясно, что чем меньше размер зерна, тем выше прочность. Но в лабораториях было сделано много новых открытий, и теперь мы часто говорим о так называемой сверхпрочности.

Для примера рассмотрим алюминиевый сплав. Обычно алюминий имеет прочность 50—70 МПа. Начиная с 20-х годов прошлого века алюминиевая промышленность развивалась по пути добавления в алюминий каких-либо легирующих элементов для увеличения прочности. Сначала добавляли медь, потом цинк. Так создавались новые сплавы. Кроме того, параллельно с увеличением прочности металлурги сделали алюминий более дешевым, что не менее важно. Был совершен огромный прогресс: сейчас алюминий и его сплавы повсюду, а их прочность была доведена до значения 500 МПа. Мы путем наноструктурирования достигаем 1000 МПа — это сравнимо с прочностью специальной стали и выше прочности многих других материалов. При этом сохраняется легкость и все остальные преимущества алюминия. И это только один из примеров.

Всегда очень важно, чтобы прочность шла в паре с пластичностью: материал прочный, но хрупкий не представляет интереса. Оказывается, что у объемных наноструктурных материалов пластичность также повышается: это так называемый парадокс прочности и пластичности. Это весьма сложный процесс, потому что, как оказалось, на свойства материала влияют не только малые размеры зерна, но и структура границ между зернами. Когда у материала большой размер зерна, плотность этих границ не очень высока и они не играют центральной роли. Но когда размер зерна мал, плотность границ повышается и многие свойства материала определяются именно строением границ. Относительно недавно, лет 10—12 назад, появилась новая область материаловедения, которая так и называется — зернограничная инженерия.

— Каким образом строение границ между зернами влияет на пластичность материала?

— Мы можем управлять четырьмя параметрами границ. Во-первых, геометрия границ зерен. Во-вторых, дефектная структура, ведь на границе зерна могут быть линейные или точечные дефекты. В-третьих, бывают специальные границы зерен — тут все объясняется особыми кристаллографическими соотношениями. Четвертое — это химия границ зерен, наличие на границах легирующих элементов или сегрегаций. Это последнее направление представляет сегодня огромный интерес. При наноструктурировании меняется химия границ, что помогает сделать материал либо сверхпрочным, либо сверхпластичным. В последнем случае металл может растягиваться на тысячи процентов, словно резина. Обычно это наблюдается при повышенной температуре, но, манипулируя не только размерами зерна, но и границами зерен, можно получить сверхпластичность и при комнатной температуре.

— Какие свойства материала, помимо механических, позволяет улучшить наноструктурирование?

— Наноструктуры позволяют одновременно улучшать свойства, которые обычно считаются альтернативными. Прочность и пластичность — механические, но еще интереснее пример единовременного увеличения прочности и электропроводности. Провода крепятся на опорах, провисают, гнутся на ветру — это все механические нагрузки, и поэтому очень важно, чтобы проводники обладали высокой прочностью. Но, как правило, когда мы повышаем прочность, электропроводность падает. Потому что все приемы повышения прочности связаны либо с добавлением каких-то химических элементов, либо с изменением структуры, что снижает электропроводность. Но мы продемонстрировали решение этого парадокса: одновременно повысили и то, и другое путем создания наноструктур. Так что в будущем наноматериалы будут широко использоваться для линий электропередач.

Вообще, разработка принципов одновременного повышения свойств, которые всегда считались взаимоисключающими, — это направление будущего.

— Существует ли промышленное производство разработанных вами материалов?

— Мне кажется, внедрять наши материалы нужно в первую очередь в медицине, потому что здесь все детали имеют небольшие размеры. В одном случае мы прошли все этапы технологической цепочки, и теперь в Чехии из нашего нанотитана выпускают стоматологические наноимплантаты. Использование наноструктурированного титана позволило создать имплантат уменьшенного размера и повышенной прочности. Прежде пытались делать подобные изделия из авиационных сплавов, но они оказались вредными для организма. Чистый титан слишком мягок для зубного имплантата, но благодаря созданию наноструктур мы смогли улучшить прочность в несколько раз. Наши коллеги утверждают, что уже 4000 человек носят в Чехии имплантаты из нашего титана.

Мы уже сделали серию опытных изделий для авиации — несколько деталей для двигателя, которые при испытании показали очень хорошие свойства. Но они не внедрены, так как в стране нет производства наноструктурированных материалов. Когда идет речь о промышленном производстве металла, то имеются в виду не килограммы, а тысячи тонн. Когда мы производим имплантат, две тонны металла позволяют добиться многого. Но это совсем ничего, когда требуется новый металл для автомобилей или самолетов.

Сейчас перед специалистами стоит задача масштабирования. В свое время с этой задачей справлялись так называемые отраслевые институты. При «Уралмаше», к примеру, был очень мощный институт, который разрабатывал практические технологии и новое оборудование, чтобы обеспечить переход из лаборатории на завод. В 90-х подобные институты закрылись, и цепочка «лаборатория—отраслевой институт—завод» распалась. Мы были пионерами в области создания объемных наноструктурных материалов, у нас был большой отрыв от запада, но стать первыми в области нанометаллургии российским специалистам пока не удается, хотя в последнее время этой тематикой заинтересовался «Русал», а также ряд других компаний. Так что надежда есть.

Руслан Валиев — физик, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент Академии наук Республики Башкортостан. Родился 26 сентября 1949 года в поселке Лосевка Свердловской области, в 1971 году окончил Уральский политехнический институт в Свердловске, в 1977 году защитил кандидатскую, а в 1984 году — докторскую диссертацию по исследованию эффекта сверхпластичности материалов. С 1996 года Валиев занимает пост директора Института физики перспективных материалов, также он заведует кафедрой УГАТУ, а с 2004 года руководит совместным учебно-научным инновационным комплексом «Наноцентр». С 2006 года Валиев руководит ведущей научной школой РФ «Физика и технология объемных наноструктурных материалов».
Анна Шустикова
Теги:

Читать еще на Чердаке: