Застекленевшим металлам вернут гибкость
Группа учёных НИТУ «МИСиС» и Университета Тохоку (Япония) под научным руководством приглашённого профессора Дмитрия Лузгина приступает к разработке гибридных металлических стёкол для аэро-космической отрасли, микромеханики и медицины и намерена вывести Россию в мировые лидеры в этом перспективном классе конструкционных материалов. Проект поддержан в рамках Правительственной программы повышения международной конкурентоспособности вузов (5/100).
Металлические стёкла – это металлы/сплавы без традиционной кристаллической структуры, по сути, застывшая жидкость, однородный аморфный материал, похожий на классические, «оконные», стёкла. Они получены во второй половине XX века однако бум исследований начался в его 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, более высокой коррозионной стойкостью (в т.ч. по отношению к кислотам, морской воде), повышенными твердостью и износостойкостью», – говорит Дмитрий Лузгин.
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, и которые являются точками, с которых начинаются разрушения.
У металлических стекол одна преграда к распространению. Известные на сегодня материалы этого типа обладают низкой пластичностью, особенно в виде макроскопических изделий – то есть плохо гнутся, закручиваются (плохо деформируются).
«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», – рассказывает 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. Они попытаются 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. По словам, Лузгина 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 и замедляя применение данных материалов.
У научной группы имеются многочиcленные публикации по данной теме, в том числе в журналах издательства Nature (S. V. Ketov and D. V. Louzguine-Luzgin, «Localized shear deformation and softening of bulk metallic glass: stress or temperature driven?», Scientific Reports, Vol. 3, (2013), Article № 2798, pp. 1–6. DOI: 10.1038/srep02798)/
Металлические стёкла являются перспективным материалом для аэро-космической отрасли, автомобилестроения, микромеханики (в т.ч. для часов, смартфонов, микромотора 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.
