Подшипники, служащие десятилетиями, будут производить физики Томского госуниверситета (ТГУ), уже есть предварительные договоренности об использовании их в составе отечественных аппаратов ИВЛ и авиакосмической техники. Осенью запланирован выпуск опытных образцов для испытаний. Как Томск стал лидером в сфере новых керамических материалов – в обзоре РИА Томск.
Слабое звено
Подшипники – слабое место любого механизма: они быстро изнашиваются, и весь прибор выходит из строя. Заведующий лабораторией нанотехнологий металлургии ТГУ Илья Жуков показывает два идеально гладких кольца из темной керамики – из таких в перспективе будет собран практически "вечный" подшипник.
"Он сможет работать десятилетиями. Будет выдерживать большие нагрузки, обороты и не требовать смазки. Что называется, поставил – и забыл, тогда как обычных стальных подшипников хватает ненадолго, а в некоторых случаях вообще приемлема сталь", – говорит Илья.
Керамика для таких подшипников делается на основе порошков алюминия, магния и бора (AlMgB14). Материал был известен и до томичей – результаты его испытаний несколько лет назад опубликовали американцы. Они были очень многообещающими: керамика обладала высокой твердостью (32 гигапаскаля, это треть от "эталонного" алмаза) и при этом сверхнизким коэффициентом трения (до 0,02), то есть сама по себе была "скользкой".
Но дальнейшие исследования американских ученых быстро ушли из публичного научного пространства – возможно, разработки стали секретными. А может быть, коллеги потерпели неудачу с синтезом самого материала… Илья Жуков поясняет:
"Самый тривиальный подход (для получения керамики) – взять по отдельности все компоненты – по одной части алюминия и магния, 14 частей бора – и смешать. Чем мельче, тем лучше, и чем чище, тем лучше. Но чистый мелкодисперсный порошковый алюминий стоит очень дорого, а еще его нет в свободной продаже.
С порошковым магнием тоже не просто – он возгорается на воздухе, с ним работать тяжело из-за большой взрывоопасности. Чистый бор сам по себе дорогой: стоимость одного килограмма – от 50 тысяч рублей, а на исследованиях он просто летит!".
В 2017 году Илья Жуков выиграл грант РНФ на разработку отечественного аналога керамики AlMgB14 и начал заниматься этой темой. "Я и мой аспирант сделали хороший технологический задел, поездили по России по конференциям, и ребят, интересовавшихся этой темой, забрали в Томск", – говорит Жуков.
Сплавить и "раскрошить"
Томичи предложили свой оригинальный способ получения керамики, гениальный в своей простоте:
"Мы придумали, что алюминий и магний можно сплавить (слитками они стоят недорого), а уж потом механически размолоть в защитной атмосфере (в аргоне – чтобы кислорода не было). "Присыпать" бором – и далее для формирования материала использовать классические методы порошковой металлургии – прессование, спекание и так далее.
Ведущие журналы по материаловедению – Materials today communication и Ceramics International – с удовольствием приняли статьи о наших исследованиях, потому что никто таких подходов раньше не использовал", – рассказывает Илья Жуков.
Сейчас над проектом работает большая коллаборация – к томичам присоединились коллеги из Технологического института Санкт-Петербурга и Нижегородского физико-технического института, подключается также Институт сильноточной электроники СО РАН.
"Мы находимся на стадии фундаментальных исследований и начинаем активно идти к промышленникам, чтобы сразу опробовать результаты. В июле провели переговоры с несколькими предприятиями, которые нуждаются в подшипниках спецназначения – одни, например, занимаются аппаратами ИВЛ, другие – авиакосмической техникой. Ищем финансирование и осенью планируем изготовить опытные образцы для испытаний", – подытоживает ученый.
Есть идея
Илья Жуков – "птенец" материаловедческой школы ТГУ: окончил физико-технический факультет, поступил в аспирантуру, где занимался керамическими и композиционными материалами. Его отец Александр Жуков – доктор физико-математических наук, завлабораторией высокоэнергетических систем и новых технологий ТГУ.
Илья с улыбкой вспоминает: "Одной из причин поступления в аспирантуру была династия. Хотя на самом деле то, что я в конечном итоге увлекся наукой – заслуга моего научного руководителя в аспирантуре. Есть масса примеров, в том числе с моими сокурсниками, когда попадаешь к вялому научному руководителю, который сидит на кафедре сто лет, работает на протухшем оборудовании и никуда не двигается… Ребята быстро теряют интерес.
Мне повезло: я попал к Светлане Петровне Буяковой (она сейчас замдиректора по науке Института физики прочности и материаловедения СО РАН), у нее всегда творческие подходы, какие-то идеи, постоянный диалог: "Ребята, давайте! Тебе вот это интересно?" – "Интересно". – "Занимайся!". Благодаря этому вечному драйву я понял, что хочу в науку, подучился, получил степень (в 2012 году) и остался в ИФПМ".
Но потом из института сбежал…
"Скажу так: творческий потенциал, который нас, молодых, распирал, столкнулся с сопротивлением поколения 60+. Начались конфликты, и мы большой компанией ушли в ТГУ "под крыло" Александра Ворожцова (нынешнего проректора по науке ТГУ), в его лабораторию высокоэнергетических и специальных материалов.
В университете на тот момент была хорошо развита технология получения наноразмерных порошковых материалов, различных соединений металлов. Вместе с Сергеем Ворожцовым, сыном Александра Борисовича, мы начали вплотную разворачивать исследования, накопили оборудования.
За пять последних лет у нас сложилась большая коллаборация трех материаловедческих лабораторий, и вместе мы достигаем реально многого в фундаментальных исследованиях", – говорит Жуков.
Так, сейчас одно из перспективных исследований – в том числе с практической точки зрения – это повышение прочности металлических изделий за счет введения в расплав тугоплавких (с температурой плавления до 2000 градусов) наночастиц. Илья Жуков объясняет:
"Они могут увеличивать прочность на 50% от исходной и при этом увеличивают пластичность металла. Часть подходов уже отработана на НПЦ "Полюс".
На эту технологию есть запрос у промышленности, например, мы начали работать с одним из автоконцернов, чтобы добавлять нашу "волшебную посыпку" в их алюминиевый расплав, из которого они льют головки блоков цилиндров. С промпартнерами работать сложно – у них очень зарегламентированный бизнес и бизнес-процессы, но они находят нас сами – это ли не признание?".
Источник:
РИА Томск. Елена Тайлашева, Павел Стефанский.
Фото предоставила пресс-служба Томского госуниверситета.
27.07.2020
