Эффект от деформации. Уфимские ученые приближают век наноматериалов

Газета "Поиск". №22. 29 мая 2015.


“Мало кто у нас об этом задумывается, но развитие цивилизаций всегда определялось материалами, используемыми человеком в его деятельности, - говорит Руслан ВАЛИЕВ, директор Института физики перспективных материалов Уфимского государственного авиационного технического университета (ИФПМ УГАТУ). - Это отра­зилось в названиях целых исторических периодов - был век каменный, железный, бронзовый... Материалы, которые мы создаем сегодня, определяют, каким будет следующий век”.
По данным РИНЦ, профессор Р.Валиев входит в десятку самых цитируемых российских ученых-физиков (четвертое место), его индекс Хирша - один из самых высоких в России (77). Введенное Р.Валиевым в научный оборот понятие “интенсивная пластическая деформация” (ИПД) и его международный аналог Severe plastic deformation стали общепринятыми в российской и мировой научной литературе. Используя ИПД, ученые во многих странах мира сегодня получают объемные наноструктурные материалы с новыми свойствами. И конечно, это направление бурно развивается в ИФПМ УГАТУ, отмечающем в этом году свое 20-летие.

Первый раз я попадаю в Институт физики перспективных материалов УГАТУ в отсутствие его руководителя. Руслан Валиев должен вот-вот вернуться из Санкт-Петербурга, где он возглавляет “мегагрантовую” лабораторию СПбГУ “Механика перспективных массивных наноматериалов для инновационных инженерных приложений”. Кстати, коллективы этой питерской лаборатории и ИФПМ тесно сотрудничают, участвуя в ряде совместных проектов.
Дмитрий Гундеров, заместитель директора по науке ИФПМ, знакомит меня с институтом.
- Хотите взглянуть на нашу лабораторию интенсивной пластической деформации? - спрашивает он.
Мы спускаемся в подвальный этаж. Здесь - как на настоящем производстве: станки, прессы, установки... Многие не отличаются особым дизайном. “Одна из особенностей нашего института - мы сами проектируем и создаем установки и оснастку, необходимую для деформации, - поясняет Дмитрий Валерьевич. - Думаю, немногие университеты имеют такой активно действующий производственный участок! Но, конечно, экспериментальная база ИФПМ и центра коллективного пользования УГАТУ включает и современные дорогостоящие научные приборы фирменного производства, необходимые для исследования структуры и свойств материалов”.
Методы интенсивной пластической деформации, используемые для получения объемных наноматериалов, были разработаны Р.Валиевым на основе схем равноканального углового прессования (ранее созданной В.М.Сегалом) и кручения под гидростатическим давлением (В.Бриджмен).
- Было известно, что большие пластические деформации, например прокаткой или волочением, позволяют сильно фрагментировать структуру металлов, - рассказывает Д.Гундеров. - Значительный вклад в развитие этой тематики сделали ученые питерской, томской, екатеринбургской научных школ. Однако именно в работах Р.Валиева было показано, что при больших деформациях по специальным схемам металлы из своего обычного состояния переходят в ультрамелкозернистое (наноструктурное), с большеугловыми границами зерен, вследствие чего значительно повышаются прочность, предел выносливости и другие функциональные свойства, меняются характеристики сверхпластичности...
Поскольку металлов и сплавов существует огромное количество, а свойства полученного под воздействием ИПД материала зависят еще и от заданных параметров деформации, поле исследований получается просто необъятным. В настоящее время по тематике ИПД работают специалисты целого ряда российских центров, а в мире - сотни научных коллективов и институтов. Но пионером был Институт физики перспективных материалов, созданный в Уфе 4 апреля 1995 года как структурное подразделение УГАТУ, на базе проблемной лаборатории университета и научно-исследовательского отдела СКТБ “Тантал” по инициативе и под руководством профессора Р.Валиева.
- Институт начал работать в сложнейшее для российской науки время, - вспоминает Руслан Зуфарович, с которым мы встречаемся на следующий день. - Группа из семи человек пришла в ИФПМ УГАТУ из Института проблем сверхпластичности материалов (ИПСМ) РАН. Директор и создатель ИПСМ РАН Оскар Кайбышев, легенда российского материаловедения, был в 1980-х - начале 1990-х нашим наставником. Вместе с ним мы сделали научное открытие, зарегистрированное в 1987 году, - “Явление образования неравновесных границ зерен”. Оно стало прародителем другого научного открытия, сделанного также еще в нашу бытность в ИПСМ РАН, - получения объемных наноматериалов методом интенсивной пластической деформации. Для развития исследований на основе этого открытия чуть позже и был создан новый научный институт - ИФПМ в составе УГАТУ.
Первые работы по этой теме у нас пошли в конце 1980-х, публикации появились в начале 1990-х. Информацию о новом научном направлении, зародившемся в России, мировое научное сообщество восприняло поначалу с недоверием: “Нанозерна после деформации? Этого не может быть!”. Сейчас-то наши работы начала 1990-х годов - самые цитируемые, но тогда на авторов из незнакомой российской Уфы ссылались мало. Нас попросту не слышали! Однако вскоре в Уфу начали приезжать иностранные ученые, чтобы увидеть все своими глазами. В их числе был и профессор Герберт Гляйтер из Германии, который первым ввел понятие “наноматериалы” и первым синтезировал такие материалы из порошков. Он тоже вначале отнесся к нашим работам с сомнением... Но постепенно отношение к ним менялось. Американский ученый Теренс Лэнгдон, взяв наши образцы, запустил аналогичные исследования в Японии. Первая международная работа с нашим участием, опубликованная в 1993 году, вызвала большой интерес в научном мире.
К году основания ИФПМ наш “научный багаж” составлял около 20 статей. В университете нам дали помещение - и всё: зарабатывать деньги мы должны были сами. И в этом еще одна особенность нашего института: у него никогда не было стабильного государственного финансирования.
Сегодня в ИФПМ уже не семь, а более 60 сотрудников, среди которых один Заслуженный деятель науки Республики Башкорстан и России, 6 докторов и 11 кандидатов наук. Ученые института проводят научные исследования в самых разнообразных областях, связанных с развитием новых подходов к формированию объемных наноструктурных состояний в различных металлах и сплавах, установлением закономерностей эволюции микроструктуры, созданием и совершенствованием методов интенсивной пластической деформации, повышением механических и функциональных свойств широкого спектра металлов и сплавов, коммерциализацией разработок. Важные вопросы в жизни ИФПМ обсуждаются на совете ведущих сотрудников - ученых и специалистов в области международного менеджмента и экономики. Научные достижения ученых ИФПМ стали фундаментом для реализации инновационной образовательной программы по подготовке специалистов на созданной в 2006 году кафедре нанотехнологий УГАТУ. В образовательном процессе используются результаты последних достижений в данной области, в научных исследованиях принимают активное участие аспиранты и студенты.
Слушая профессора, убеждаюсь, что ИФПМ УГАТУ - структура действительно уникальная. Появившийся не в столичном городе, практически на пустом месте, не имея постоянной государственной поддержки, он не только не захирел, но, напротив, вырос и укрепился - через конкуренцию, через участие в научных программах. В 1990-е годы, пока в России еще никакой грантовой системы не было, ИФПМ участвовал в международных конкурсах, прежде всего в программах Международного научно-технического центра (МНТЦ).
- Создавая институт, мы видели возможность его развития через тесное сотрудничество с другими, в том числе международными, лабораториями, - объясняет профессор Р.Валиев. - То есть идея была такая: чтобы развиваться, необходимо иметь некоторые научные “изюминки”, интересные другим, и вместе двигаться дальше. Наша “изю­минка” - получение объемных наноматериалов методом интенсивной пластической деформации. Изучение таких материалов - фундаментальный вопрос. Как считает Г.Гляйтер, здесь идет речь о третьем состоянии твердых тел. Есть кристаллическое, есть аморфное и есть “нано”-состояние. В относительно небольшом коллективе ИФПМ за 20 лет защитили диссертации
9 докторов наук. Среди них необходимо отметить таких ведущих специалистов в области ИПД, как И.Александров, Р.Исламгалиев, В.Столяров, Г.Рааб, И.Семенова, Д.Гундеров. Ученые исследовали материалы на основе алюминия, титана, меди, других металлов. В каждом случае много своих нюансов. Опубликованная в 2000 году в высокорейтинговом журнале “Progress in Material Science” обзорная статья, в которой были описаны научные принципы получения объемных наноматериалов методом ИПД, в мировом материаловедении на сегодняшний день является одной из самых цитируемых (3650 упоминаний). В России - самая цитируемая.
Сегодня ИФПМ УГАТУ поддерживает активные научные связи по тематике ИПД и с ведущими российскими центрами, и с учеными США, Германии, Франции, Австрии, Японии, Венгрии, Китая и других стран. Руслан Валиев стал одним из организаторов и сопредседателем Международного комитета по объемным наноструктурным материалам. Его идея о возможности развития института через международное сотрудничество реализовалась в полной мере. А для УГАТУ это означает еще и возможности расширения академических обменов преподавателями и студентами.
Исследования ИФПМ УГАТУ показали, что свойства полученного способом ИПД наноструктурного титана делают его буквально незаменимым материалом для использования в медицинских целях. В 2005 году им заинтересовались специалисты из Чехии и США. В Чехии была разработана новая конструкция дентальных имплантатов, обладающих целым рядом преимуществ по сравнению с выпускавшимися прежде. Прочностные характеристики нового имплантата диаметром 2,5 мм были аналогичны характеристикам стандартных имплантатов диаметром 3,2 мм. А медико-биологические исследования показали, что при использовании новинки через контрольный промежуток времени обнаруживается больше выживших клеток биологических тканей, чем в случае применения имплантата из традиционного сплава. Значит, скорость приживления нового имплантата выше, чем обычного, а следовательно, сокращается срок послеоперационной реабилитации. В 2007 году в Уфе была организована стартап-компания ООО “НаноМеТ” - первое в мире опытно-промышленное производство объемных наноструктурных материалов, оснащенное уникальным оборудованием, разработанным учеными ИФПМ УГАТУ. С 2009 года “НаноМеТ” поставляет прутки-полуфабрикаты наноструктурного титана для медицинского применения в Чехию и США. Жаль, что в России внедрение новинки продвигается медленно!
Объемные наноматериалы могли бы найти себе применение не только в медицине. Например, сейчас ученые института работают над получением наноструктурных материалов для авиации. Так, ИПД-обработка титанового сплава - материала лопаток газотурбинных двигателей - приводит к повышению прочности в полтора раза (с 1000 до 1500 МПа). А при наноструктурировании методами ИПД алюминиевых и медных сплавов электротехнического назначения растет не только их прочность, но и электропроводность, причем существенно. Это позволяет в перспективе создать провода нового поколения. Сейчас идет работа по внедрению результатов этих исследований, совместно с крупными российскими компаниями создается промышленная технология производства наноструктурированных алюминиевых сплавов.
- Шаг за шагом все металлы в будущем должны быть заменены наноструктурными материалами с совершенно новым потенциалом, - говорит Р.Валиев.
Он рассказывает о подготовленной недавно вместе с коллегами из Международного комитета по объемным наноструктурным материалам статье, в которой описывается 12 мировых рекордов в свойствах материалов, полученных наноструктурированием методами ИПД. Экстремально высокая прочность, самый большой предел усталости, самая высокая радиационная прочность... “Наша научная уверенность в перспективности таких материалов подтверждается экспериментами. Я уверен, что наше направление будет жить и активно развиваться!” - заключает профессор.

Наталия БУЛГАКОВА
Фотоснимки предоставлены сотрудниками института
На верхнем снимке:

директор ИФПМ УГАТУ Руслан Валиев

На нижнем снимке:

Бригадир лаборатории интенсивной пластической деформации

ИФПМ УГАТУ А.Кильмухаметов работает на созданной

коллективом уникальной установке деформации РКУП-К