Провода для космоса и зубы на принтере: что нового разрабатывают в Белгородском госуниверситете

Вы представляете себе микроскоп за 186 млн рублей? Вот и мы не очень. Прочитав на сайте госзакупок, что БелГУ приобретает это чудо современной техники, мы решили узнать о покупке побольше. Оказалось, что высокотехнологичное оборудование поступает в распоряжение Центра коллективного пользования «Технологии и материалы НИУ «БелГУ». А вот для чего белгородскому университету нужен многофункциональный просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) JEM-F 200, мы решили выяснить на месте. В этом вопросе нам помог директор Центра Дамир Тагиров.

Быть в рейтинге

Центр коллективного пользования, как и следует из его названия, предназначен для совместного использования высокотехнологичного научно-исследовательского оборудования, которое необходимо при выполнении фундаментальных и прикладных исследований. Работает он при университете с 2007 года. А в этом году, благодаря победе в федеральной программе «Приоритет-2030», вуз вошёл в список 106 российских университетов, которые смогут реализовывать свои проекты за счёт многомиллионных грантов. Уже создан консорциум – соглашение между ведущими вузами страны, научно-исследовательскими институтами Российской академии наук и отраслевыми институтами, работающими в области металловедения и физики металлов. Таким образом центр коллективного использования – не только научно-техническая площадка БелГУ, но и подразделение, которое будет выполнять научные исследования для других вузов.

В своё время мы купили два просвечивающих электронных микроскопа, но они морально устарели. Научно-технический прогресс стремительно идёт вперёд, 15 лет для такой техники – уже вчерашний день. Прибор японского производителя электронных микроскопов JEOL до сих пор работает безотказно. Но с результатами, которые мы получаем на нём, уже сложно вписываться в перспективную научную повестку и проводить исследования на переднем крае науки. Поэтому со временем становится все труднее претендовать на топовые научные журналы, в которых мы могли бы публиковать наши научные статьи,

– рассказывает Дамир Тагиров.

Кроме семидесяти сотрудников Центра, здесь проходят практику порядка 30 студентов. Такая работа важна для самоопределения будущих исследователей, позволяет понять, готовы ли они отдать себя науке. Базовые знания они получают в университете. А на площадке такого научно-технического центра – навыки работы на различных приборах и установках, а потом закрепляют полученные базовые знания на практике.

По оснащению белгородский Центр, говорят учёные, занимает лидирующее положение в металловедении среди аналогичных площадок в стране. Всё это позволяет проводить научные исследования замкнутого цикла, то есть на собственной базе, начиная с изготовления различных материалов, их обработки и заканчивая исследованием структуры и свойств.

Звёздное небо в объективе

Разработка новых сплавов начинают с теории: изучения научных статей, чтения публикаций в специализированных журналах, анализа того, что достигнуто мировой практикой. Затем начинается экспериментальный этап, позволяющий реализовать полученные знания на практике, и без высокотехнологичного оборудования здесь никак не обойтись.

Просвечивающий электронный микроскоп помогает изучить структуру материалов. Он позволяет заглянуть внутрь и увидеть атомы. Обычный оптический микроскоп не даёт возможности разглядеть частицы размером менее 1 микрометра. Толщина человеческого волоса примерно 50 микрометров.

Мне показали снимок, выполненный на микроскопе, аналогичном тому, что скоро поступит в Центр. На тёмном фоне видны светящиеся точки. Это атомы. Скопления атомов образуют фигуры покрупнее. Но и тёмная поверхность на самом деле – не пустота. Там тоже можно рассмотреть отдельные точки. Всё это очень похоже на звёздное небо с россыпью ярких и более тусклых звёзд. Изображение в микроскопе получается за счёт пучка электронов, проходящего через образец. Получающаяся картина отличается от привычного нам изображения, однако для специалистов это изображение даёт массу важной информации о структуре материала.

Предыдущий ПЭМ, выглядящий как огромная вертикальная труба, можно назвать «дедушкой» нового микроскопа. На самом деле устройство представляет собой электронную пушку, блок электромагнитных линз и проекционный экран, соединённый с компьютером, где и возникает изображение.

Высокопрочные сплавы

Главная задача специалистов Центра – добиться создания сплавов со строго заданными параметрами. Для этого сначала создаётся фундаментальный блок по исследованию материалов, потом всё переходит на фазу прикладной науки, и следующий этап – реализация.

Когда мы разрабатываем сплав, мы примерно понимаем, где он может потенциально применяться. Дальнейшая судьба разработок от нас не зависит. Мы публикуем свои работы, они находятся в открытом доступе. Участвуем в различных конференциях, в том числе и за рубежом, рассказываем о созданных материалах с уникальными свойствами и технологиях их обработки, предлагаем их производителям различных отраслей от медицинской до космической

– говорит Дамир Тагиров.

Разрабатывают и изучают в Центре жаропрочные стали, различные сплавы лёгких металлов, меди, титана, интерметаллидные соединения.

Одна из разработок белгородских учёных – модифицированный алюминиевый сплав для лопаток газотурбинного двигателя самолёта. Лопатки ротора работают в жёстких условиях, при высоких температурах и нагрузках. Они должны обладать высокой прочностью, поэтому их изготавливают из титановых и никелевых сплавов. Однако более дорогие титановые сплавы можно заменить другими при изготовлении некоторых слабонагруженных изделий, которые не подвержены воздействию высоких температур.

Сегодня многие учёные работают над созданием сплавов с уникальными свойствами. Если вместо титана использовать алюминий, это сделает деталь дешевле в разы. Все компании ищут экономическую выгоду и заинтересованы в таких разработках. Хотя сам алюминий непрочный материал, за счёт правильно подобранного химического состава сплава и режима его термомеханической обработки в структуре образуются частицы, которые улучшают различные свойства алюминиевого сплава, в том числе и обеспечивающие работу при повышенных температурах. Такая лопатка из алюминиевого сплава отвечает всем нужным характеристикам,

–рассказывает сотрудник Центра Марат Газизов.

Много времени белгородские учёные потратили на создание алюминиевого сплава, комбинирующего высокие прочностные свойства и хорошую электропроводность. Его можно использовать в линиях электропередачи, самонесущих изолированных проводах. А термостойкая кабельная продукция для создания современных высокопрочных проводов малого диаметра из алюминиевого сплава может применяться не только в авиа-, но и космической промышленности. Исследования доказали, что провода из нового сплава приведут к снижению эксплуатационных затрат до 80 %.

Нет неудачных результатов

В работе учёным помогает математическое моделирование. С помощью этого инструмента можно подсчитать, что примерно получится при добавлении того или иного элемента. Но в конечном счёте всё решает практика.

В науке не бывает неудачного результата. Плохой результат – тоже результат. Мы понимаем, что так делать нельзя и пора искать другой путь. И это хорошо,

– говорит Дамир Тагиров.

С момента лабораторных исследований до конечного результата может пройти не один год. Эффект сверхпластичности, например, исследуется в мире последние 25 лет, и хотя уже есть множество практических внедрений, в том числе и в компании Boeing, до сих пор учёные занимаются этим вопросом. Сверхпластичность – такое состояние материала, когда его можно деформировать без разрушения, добиваясь удлинения на сотни и тысячи процентов. Этот эффект можно применять при изготовлении деталей сложной формы, применяемых, например, в авиации и ракетостроении – вместо того чтобы вытачивать их из большого куска металла. Из небольшого количества сплава можно вытягивать элементы фюзеляжа или топливные баки.

У нас сейчас есть отставание от развитых стран в части разработки и применения новых материалов в различных отраслях промышленности. Что касается теоретической, ну или фундаментальной базы, то наши статьи по металловедению печатаются в ведущих журналах мира – Progress in Materials Science, Nature, Acta Materialia, и других,

– отмечает директор Центра.

Зубы на принтере

Ещё одно направление работы Центра – аддитивные технологии. 3D-принтер позволяет печатать изделия самой сложной геометрии из металлических материалов без дополнительной механической обработки. Сегодня такой техникой, наверное, никого не удивишь. Но проблема аддитивных технологий в том, что не так просто получить на принтере модель с нужными потребительскими свойствами. По виду она будет похожа, но желаемых свойств, которые есть у собратьев, изготовленных более традиционными методами, в ней не окажется. Часто стандартные порошки, которые можно приобрести на внутреннем рынке, для этого не подходят. Учёные считают, что полностью заменить производство печатью не получится, но направление будет развиваться. Авиация последние три года вкладывает огромные деньги в создание 3D-деталей для самолётов. Зайти в такие проекты Центру коллективного пользования «Технологии и материалы НИУ «БелГУ» сложно без достаточного научно-практического задела. Белгородские учёные как раз работают над его созданием.

У нас есть интересный проект. Через два – три года мы вплотную займёмся зубными протезами, напечатанными на принтере.Мы разрабатываем сплавы для них. Сейчас как ставится протез: снимается слепок, потом делается реплика, отливается форма или используется механическая обработка – долго, трудоёмко, неудобно для пациента. Новые технологии позволят сократить время производства, сделать протезы дешевле, а главное – полученное изделие будет сразу изготавливаться под конкретного человека. Сначала у него отсканируют полость рта, сделают 3D-модель, а затем на принтере напечатают протез. Посчитайте, на сколько меньше уйдет времени и трудозатрат на протезирование,

– говорит Дамир Тагиров.

Виктория Передерий

Фото автора