Лаборатория физики наноструктурных функциональных материалов
Руководитель
Краткая историческая справка о подразделении
Лаборатория создана в 1988 как структурное подразделение ИФПМ СО РАН, выполняющее задачи министерства машиностроения СССР.
Области исследований, направления фундаментальных исследований
- Разработка научных основ синтеза и исследование свойств материалов с иерархически организованной внутренней структурой на основе оксидов, боридов, карбидов
- Разработка научных основ создания керамических и металлокерамических композитов со структурными фазовыми превращениями, технологических процессов их получения.
- Физика спекания, межфазное взаимодействие и формирование структуры в порошковых системах, методы модификации структуры и свойств.
Основные направления исследований
- Керамические и металлические композиционные материалы с трансформационным упрочнением.
- Износостойкость керамических и металлических композиционных материалов с трансформационным упрочнением.
- Высокопористые керамические и металлические материалы.
- Композиты на основе сплавов с эффектом памяти формы.
- Физика спекания, межфазное взаимодействие и формирование структуры в порошковых системах, методы модификации структуры и свойств.
Задачи, решаемые в рамках этих направлений
Исследование особенностей механического отклика керамических материалов на основе оксидов, боридов и карбидов элементов IVb группы и кремния на приложение внешних нагрузок различного типа (сжатие, сдвиг, индентирование).
Исследование разрушения керамических материалов на основе тугоплавких соединений элементов IVb группы и кремния в стесненных условиях деформирования и закономерностей формирования иерархических макро, мезо и наноструктур в широком интервале пористости в зависимости от параметров синтеза и нагружения. Исследование скорости накопления повреждений на разных масштабных уровнях.
Состав подразделения
докторов наук - 1,
кандидатов наук - 9
Список штатных сотрудников
Научные сотрудники
Прибытков Г.А. - г.н.с., gapribyt@mail.ru
Коростелева Е.Н. - с.н.с., elenak@ ispms.ru
Севостьянова И.Н. - н.с., sevir@ispms.ru
Саблина Т.Ю. - н.с., sabtat@ ispms.ru
Коржова В.В. - н.с., vicvic5@ ispms.ru
Мейснер С.Н. - н.с.
Шутилова Е.С. - м.н.с.
Фирсина И.А. - м.н.с.
Русин Н.М. - с.н.с., rusinnm@mail.ru
Скоренцев А.Л. - н.с., skoralexan@mail.ru
II. Инженерно-технические сотрудники
Рыжова Л.Н.Борисов С.С., borisov@ispms.ru
Кривопалов В.П., krivopalov@ispms.ru
Молчунова Л.М., molimi@ispms.ru
Барановский А.В. Карпов С.М.
Важнейшие научные результаты
Показано, что в пористой керамике возможно трансформационное превращение, связанное с механическими напряжениями, которое, однако, не влияет на макропрочность материала. При этом основным фактором, обусловливающим такое превращение в пористом материале, являются внутренние микронапряжения (напряжения второго рода) уменьшающиеся с ростом пористости и увеличением размера зерна керамики.
Показано, что при спекании керамики формируется блочная структура, которая разрушается по границам блоков за счет разрушения хрупких перемычек, соединяющих блоки между собой и, как следствие, формируя при разрушении фрагменты по размерам сравнимые со средним размером зерен (10 - 20 µm), что приводит к уширению зон разрушения между блоками до 40 - 50 µm. Такой механизм понижает масштаб разрушения, повышая способность абсолютно хрупкой керамики эффективно сопротивляться приложенной нагрузке повышая значения предела прочности.
Сформированная иерархическая поровая структура керамики оказывает существенное влияние на характер повреждения материала при сжатии, обусловливая переход от хрупкого разрушения к квазипластичному, вследствие формирования многочисленных очагов разрушения, а формирование иерархической деформационной структуры в объеме керамики приводит к эффекту понижения масштаба процессов разрушения от макроскопического, в случае керамики с унимодальной поровой структурой, до мезомасштабного разрушения, сравнимого с размерами, сформировавшихся при спекании блоков.
Разработки
1. Сверхвысокотемпературные керамические слоистые композиты
Разработана лабораторная технология получения слоистых композитов ZrB2 - SiC - ZrО2. Слои расположены в порядке уменьшения теплопроводности: верхний слой - диборид циркония с добавлением карбида кремния, нижний слой диоксид циркония. На диборид циркония нанесено покрытие HfC. Полученные слоистые керамические материалы позволяют решать технологические задачи по созданию термобарьерных защит с высокими характеристиками термостойкости и износостойкости в условиях интенсивных тепловых воздействий высокотемпературных газовых потоков. Проведены испытания на термостойкость полученных композитов показавшие их работоспособность до температур выше 2200 оС и времени 1000 сек.
2. Разработка методики реконструкции дефектов челюстно-лицевой области с использованием индивидуальных керамических имплантатов
Создан консорциум «Межведомственный сетевой центр исследований и разработок персонализированных объемных имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии», «3D-имплантат», в который входят: Томский НИИ онкологии, ТГУ, НИИТО, ТПУ, ИМТЦ, ИФПМ СО РАН.
Разработана методика получения индивидуальных имплантатов из керамики для каждого клинического случая, с учетом дизайна и протяженности дефекта. Разработана новая методика по комбинированной реконструкции обширных, сложных дефектов челюстно-лицевой области у больных онкологического профиля с использованием новых имплантатов из биоактивной керамики и методик микрохирургической реконструкции.
Проекты, гранты, договора
За 2013-2017 годы в лаборатории выполнены работы по привлеченному финансированию (проекты ФЦП, РФФИ, х/д) на сумму около 150 млн. руб.
Важнейшие публикации
1. Григорьев М.В., Молчунова Л.М., Буякова С.П., Кульков С.Н. Влияние механической обработки на структуру и свойства порошка нестехиометрического карбида титана // Известия ВУЗов. Физика. - 2013. - Т. 56. - № 7/2. - С. 206-210.
2. Калатур Е.С., Буякова С.П., Кульков С.Н. Влияние особенностей структуры на деформационное поведение керамических материалов // Физика. - 2013. - Т. 56. - № 10/2. -
3. Канаки А.В., Буякова С.П., Кульков С.Н. Особенности структуры и фазового состава керамических порошков системы ZrO2-MgO // Известия ВУЗов. Физика. - 2013. - Т. 56. - № 7/2. - С. 251-255.
4. Промахов В.В., Буякова С.П., Кульков С.Н., Калатур Е.С., Коноваленко И.C. Структура и фазовый состав композиционных керамических материалов на основе системы ZrO2 - MgO // Известия ВУЗов. Физика. - 2013. - Т. 56. - № 7/2. - С. 316-320.
5. Смолин И.Ю., Еремин М.О., Макаров П.В., Буякова С.П., Кульков С.Н., Евтушенко Е.П. Численное моделирование механического поведения модельных хрупких пористых материалов на мезоуровне // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. - 2013. - № 5 (25). - С. 78-90.
6. Savchenko N.L., Sablina T.Y., Melnikov A.G., Kul'kov S.N. Behavior of the submicrocrystalline Y-TZP-AL2O3 composite in dry friction with steel //Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2013. Т. 51. № 9-10. С. 577-583.
7. Смолин И.Ю., Еремин М.О., Макаров П.В., Кульков С.Н., Буякова С.П. Численное моделирование деформирования мезообъемов модельных пористых материалов // Материалы Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы», Россия, Томск, 9-13 сентября 2013. - ИФПМ СО РАН. - 2013. - С. 191-194.
8. Смолин И.Ю., Еремин М.О., Макаров П.В., Кульков С.Н., Буякова С.П. Численное моделирование деформирования мезообъемов модельных пористых материалов // Материалы Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы», Россия, Томск, 9-13 сентября 2013. - ИФПМ СО РАН. - 2013. - С. 191-194.
9. Шаркеев Ю.П., Куляшова К.С., Глушко Ю.А., Белявская О.А., Саинова А.Б., Хасанова А.И., Кульков С.Н., Шулепов И.А. Биоактивные ВЧ- магнетронные покрытия на поверхности керамики. // Материалы III Международной конференции «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине», 7-9 октября 2013 г., Томск, Россия: ТПУ. - 2013. - С. 204-208.
10. Севостьянова И.Н., Савченко Н.Л, Кульков С.Н. Формирование фрагментированной структуры на поверхности трения и в частицах износа композитов WC - (Fe-Mn-C) при высокоскоростном скольжении по инструментальной стали. // Письма о материалах. 2013. Том.3, вып. 2, С 133-136.
11. Ворожцов С.А., Козулин А.А., Кульков С.С., Кульков С.Н., Тайпель У. Влияние ультразвуковой деагломерации на морфологию и параметры кристаллической структуры порошковых систем "Al - углеродные нанотрубки"// Перспективные материалы, 2014 № 11, с.48-55.
12. Дедова Е.С., Шадрин В.С., А.И.Губанов, Кульков С.Н. Получение и свойства вольфрамата циркония с аномальными тепловыми характеристиками. Известия ТПУ, том 324, №3, 2014, с.22-27.
13. Дедова Е.С., Шадрин В.С., А.И.Губанов, Кульков С.Н. Получение и особенности структуры вольфрамата циркония с аномальными тепловыми свойствами // Перспективные материалы, 2014 № 5 с.22-26.
14. Savchenko N. L., Sevostyanova I. N., Sablina T. Y., Molnar L., Geber R., Gomze L. A., Kulkov S. N., Gomze L. N The Influence of Porosity on the Elasticity and Strength of Alumina Ceramics // Építôanyag - Journal of Silicate Based and Composite Materials. 2014. Vol. 66. No. 2. P. 44-47.
15. Ляпунова Е.А., Наймарк О.Б., Кульков С.Н., Дедова Е.С., Соболев И.А. Структурные особенности композита диоксид циркония/многостенные углеродные нанотрубки, полученного электрофорезом // Неорганические материалы. - 2015. - Т. 51. - № 1. - С. 23-28.
16. Дмитриев А.И., Буякова С.П., Кульков С.Н. Исследование влияния размера и концентрации частиц мягких включений на прочностные свойства керамического образца // Физическая мезомеханика. - 2015. - Т. 18. - № 4. - С. 61-67.
17. Васильев В.В., Лучанинов А.А., Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е., Толмачева Г.Н., Прибытков Г.А., Гурских А.В., Криницын М.Г. Применение порошковых катодов для осаждения Ti-Si-Т покрытий из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы // Физическая инженерия поверхности. - 2015. - Т. 13. - № 2. - C.148-163.
18. Коростелева Е.Н., Прибытков Г.А., Каламбаева С.С., Коржова В.В., Стрельницкий В.Е. СВС композиционные порошки «TiC - чугунная связка» для наплавки и напыления, синтезированные на воздухе // Известия вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - №6/2. - С. 152-157.
19. Прибытков Г.А., Фирсина И.А. Структура, физико-механические свойства и разрушение горячеуплотненных композитов из порошковых смесей Al-Ti, Al-Ti-Si // Перспективные материалы. - 2015. - № 7. - С. 21-29.
20. Гурских A.B., H.M. Русин, A.Л. Скоренцев. Контактное легирование сплава Д16 расплавами на основе олова // Известия вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 6/2. - С. 59-64.
21. Гурских A.B., H.M. Русин, Т.Х. Бадтрединов. Особенности поведения алюминиевой бронзы при одноосном сжатии // Известия вузов. Физика. - 2015. - Т. 58 - № 6/2. - С. 64-69.
22. Русин H.M., Скоренцев A.Л., Мишин И.П., Гурских A.B. Влияние межфазных границ на структуру и механические свойства композитов Al-Sn, подвергнутых интенсивной обработке // Известия вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 6/2. - С. 243-248.
23. Русин Н.М., Скоренцев А.Л., Мишин И.П. Эволюция структуры и свойств композитов Al - Sn при деформации // Перспективные материалы. - 2015. - № 6. - С. 5-17.
24. Dmitriev A.I., Buyakova S.P., Kulkov S.N., A study of the influence of soft particle size and concentration on strength and strain properties of ceramic composites // AIP Conference Proceedings. - 2015. - V. 1683. - P. 020045
25. Grigoriev M.V., Kotelnikov N.L., Buyakova S.P., Kulkov S.N. The structure and properties of composites AI2O3-ZrO2-TiC for use in extreme conditions // AIP Conference Proceedings. - 2015. - V. 1683. - P. 020061.
26. Kulkov S. and Buyakova S. Zirconia-based powders and properties of sintered ceramics for biomedical applications // AIP Conference Proceedings. - 2015. - V. 1683. - P. 060005.
27. Kulkov S. Formation of hierarchical structures in MMC with phase transformations // AIP Conference Proceedings. - 2015. - V. 1683. - P. 020111.
28. Kulkov S.N., Korobenkov M.V. and Bragin N.A. Mathemattcal modeling of the process off filling a mold during injection molding of ceramic products // AIP Conference Proceedings. - 2015. - V. 1683. - P. 020112.
29. Kulkov Sergei and Svetlana Buyakova, Maria Chatzinikolaidou, Istvan Kocserga. Rheology and porosity effect on mechanical properties of zirconia ceramics // Epitoanyag - Journ. of Silicate Based and Composite Materials, Hungary. - 2015. - № 4. - P. 155-158.
30. Kulkov S., Litvinova L., Kalatur E., Buyakov A. Rheology and porosity effect on the proliferation of pre-osteoblast on zirconia ceramics // IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series. - 2015. - V. 602. - P. 012028.
31. Kulkov S., Vorozhtsov S., Turuntaev I. Structure, phase content and mechanical properties of aluminium with hard particles after shock-wave compaction // IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series. - 2015. - V. 602. - P. 012019.
32. Коллективная монография под редакцией L. A. Gomze Applied Materials Sciense I., Compilation of Selected Scientific Papers, Publishrd by IGREX Ltd, Igrici (Hungary) 2016, pp. 1-189. (ISBN 978-963-12-6600-9) (Nikolai L. Savchenko, Irina N. Sevostyanova, Tatiana Yu. Sablina, Lucia Molnar, Robert Geber, Laszlo A. Gömze, Sergey N. Kulkov, Ludmila N. Gömze. The influence of porosity on the elasticity and strength of alumina ceramics. P. 151 - 159.)
33. Савченко Н.Л., Саблина Т.Ю., Севостьянова И.Н., Буякова С.П., Кульков С.Н. Деформация и разрушение пористых хрупких материалов при различных схемах нагружения//Известия высших учебных заведений, Физика, 2015. Т. 58. № 11. С. 56-60. (Savchenko N.L., Sablina T.Y., Sevostyanova I.N., Buуakova S.P., Kulkov S.N. «Deformation and fracture of porous brittle materials under different loading schemes»// Russian Physics Journal. 2016. Т. 58. № 11. С. 1544-1548.)
34. Buyakova S., Burlachenko A., Mirovoi Yu., Sevostiyanova I., Kulkov S. The influence of ZrB2-SiC powders mechanical treatment on the structure of sintered ceramic composites // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 140 (2016) 012006 doi:10.1088/1757-899X/140/1/012006.
35. Buyakova S., E.Kalatur, A.Buyakov, S.Kulkov. Structure and properties of ZrO2-MgO powders // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 123 (2016) 012040 doi:10.1088/1757-899X/123/1/012040.
36. Канаки А.В., Буякова С. П., Кульков С. Н. Влияние отжига на структуру и фазовые превращения в керамических порошках ZrO2-MgO // Перспективные материалы. - 2016. - № 1. - С. 49-56.
37. Шадрин В.С., Кульков С.Н. Исследование формирования интерметаллидов в алюминии при его спекании с вольфраматом циркония формования // Перспективные материалы. - 2016. - № 11. - С. 48-54.
38. Криницын М.Г., Г.А. Прибытков, М.А. Корчагин. Влияние механической активации на инициируемость самораспространяющегося высокотемпературного синтеза композиций TiC-титановая связка. «Деформация и разрушение материалов» 2016, №4, стр 14-17.
39. Прибытков Г.А., Криницын М.Г., Коржова В.В. Исследование продуктов СВ-синтеза в порошковых смесях титана и углерода, содержащих избыток титана. «Перспективные материалы», 2016, №5, стр. 59-68.
40. Васильев В. В., А. А. Лучанинов, Е. Н. Решетняк, В. Е. Стрельницкий, Г. Н. Толмачева, Г. А. Прибытков, В. В. Коржова. Структура и свойства нитридных покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы с использованием порошкового катода Cr0,5Al 0,5. Журнал физики и инженерии поверхности. 2016, т. 1, №1, с. 62-80 (Украина).
41. Бузимов А.Ю., С.Н.Кульков, W.Eckl, S.Pappert. Влияние механической активации на свойства синтетических Si-Al-P цеолитов // Перспективные материалы. 2016. №12. - С. 38-44
42. Григорьев М.В., Савченко Н.Л., Буякова С.П., Кульков С.Н. Неупругое поведение при сжатии керамики с иерархической поровой структурой // Письма в журнал технической физики. - 2017. - Т. 43, № 15. - С. 79-86.
43. Калита В. И., Комлев Д. И., Прибытков Г. А., Коржова В.В., Радюк А.А., Барановский А.В., Иванников А.Ю., Алпатов А.В., Криницын М.Б., Михайлова А.Б. Изменение содержания углерода, азота и кислорода при формировании плазменных керметных покрытий со стальной матрицей, упрочненной карбидом титана // Перспективные материалы. - 2017. - № 8. - С. 31-39.
44. Князева А.Г., Коростелева Е.Н., Крюкова О.Н., Прибытков Г.А. Чумаков Ю.А. Физические закономерности синтеза порошков композитов на основе титана для аддитивных технологий // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. - 2017. - Т. 5, № 4. - C. 3-13.
45. Прибытков Г.А., Барановский А.В., Фирсина И.А., Дураков В.Г., Криницын М.Г. Формирование структуры покрытий при электроно-лучевой наплавке СВС композиционными порошками TiC+сталь Р6М5 // Физика и химия обработки материалов. - 2017. - № 5. - С. 36-43.
46. Прибытков Г.А., Барановский А.В., Фирсина И.А., Дураков В.Г., Криницын М.Г. Твердость и абразивная износостойкость электронно-лучевых покрытий, наплавленных СВС композиционными порошками TiC+сталь Р6М5 // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2017. - № 10. - С. 446-452.
47. Прибытков Г.А., Коржова В.В., Барановский А.В., Криницын М.Г. Фазовый состав и структура композиционных порошков карбида титана со связкой из стали Р6М5, полученных методом СВС // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2017. - № 2. - С. 64-71.
48. Прибытков Г.А., Калита В.И., Комлев Д.И., Коржова В.В., Радюк А.А., Барановский А.В., Иванников А.Ю., Криницын М.Г., Михайлов А.Б. Структура и износостойкость плазменных покрытий, напыленных композиционным порошком TiC + Р6М5 // Физика и химия обработки материалов. - 2017. - № 3. - С. 45-55.
Список патентов
1. Свидетельство на ноу-хау № 7 «Способ формирования переменной гидрофильности на внутрипоровых поверхностях остеозамещающей керамики». Зарегистрировано в ИФПМ СО РАН 15.07.2013: Приказ № 53-од, авторы: Кульков С.Н., Буякова С.П.
2. Патент № 2476406 «Способ получения пористого керамического материала», авторы: Мельникова Г.В., Жуков И.А., Буякова С.П., Молчунова Л.М., Соболев И.А., Козлова А.В., Клевцова Е.В., опубликовано: 27.02.2013, Бюл. № 6.
3. Патент РФ № 2552208 на изобретение. Способ получения износостойкого антифрикционного сплава. Русин Н.М., Скоренцев А.Л. Опубликовано: 10.06.2015.
4. Патент РФ № 2569446 на изобретение. Шихта для композиционного катода и способ его изготовления. Прибытков Г.А., Коростелева Е.Н., Коржова В.В., Вагнер М.И., Криницын М.Г., Гурских А.В. Опубликовано: 27.11.2015.
5. Буякова Светлана Петровна, Григорьев Михаил Владимирович, Кульков Сергей Николаевич, Саблина Татьяна Юрьевна, Рыжова Любовь Николаевна «Способ получения пористого керамического биоматериала на основе диоксида циркония» Патент РФ №2585291, Бюл.№15 от 27.05.16
6. Бурлаченко А.Г., Буякова С.П., Гусев А.Ю., Кульков С.Н., Молчунова Л.М., Савченко Н.Л., Севостьянова И.Н. Способ получения пористого слоистого композиционного материала системы Zrm(O-B-C)n. // Патент на изобретение № RU 2 592 587 C1 от 27.07.2016. Заявка 2015130367/03, 22.07.2015.
7. Буякова С.П., Кульков С.Н., Севостьянова И.Н., Савченко Н.Л., Бурлаченко А.Г., Гусев А.Ю., Мировой Ю.А., Пшеничный А.Д. Способ получения наноразмерного порошка диборида циркония // патент на изобретение № RU 2 601 340 C1 jn 10.11.2016, Бюл. №31, заявка 2015125930/05, 29.06.2015.
8. Савченко Николай Леонидович, Саблина Татьяна Юрьевна, Севостьянова Ирина Николаевна, Григорьев Михаил Владимирович, Кульков Сергей Николаевич, Буякова Светлана Петровна «Шихта для гибридного композиционного материала и способ его получения» Патент № 2 620 221, Бюл. № 15 от 23.05.2017
9. Буякова Светлана Петровна, Кульков Сергей Николаевич, Саблина Татьяна Юрьевна, Григорьев Михаил Владимирович, Буяков Алесь Сергеевич «Эндопротез межпозвонкового диска» Патент № 2 636 852, Бюл. № 34 от 28.11.2017
Ресурсы
- Просвечивающий электронный микроскоп (с устройством для ионного утонения образцов),
- Растровый электронный микроскоп (с устройством для определения фрактальной размерности исследуемой поверхности),
- Рентгеновский дифрактометр (с низко- и высокотемпературными приставками для исследований от
-180 до 2000 ºC),
- Оптический микроскоп
- Высокотемпературные вакуумные и воздушные печи (до 2000 ºC),
- Установка горячего прессования (нагрузка до 50 kN, температура до 2000 ºC).
- Технологическое оборудование для инжекционного формования порошковых материалов.
- Прессовое оборудование.
Имеется комплекс лабораторного технологического оборудования, обеспечивающего полный цикл традиционной порошковой металлургии и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС): смесеприготовительное оборудование, гидравлические прессы различной мощности, печи для спекания и термической обработки, СВС-реактор, набор оснастки для РКУ.
Связь с вузами
В лаборатории работает филиал кафедры ФТФ ТГУ.
|
Григорьев М.В. |
НИ ТПУ, доцент |
|
Коростелева Е.Н. |
доцент Томского политехнического университета |