Институт сильноточной электроники СО РАН (Томск) выиграл грант в размере 305 миллионов рублей сроком на три года в рамках Федеральной научно-технической программы по развитию синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019—2027 годы. Часть команды исследователей, участвующих в гранте.
Итогом трехлетней работы должны стать, во-первых, самые совершенные методики исследования поверхности с использованием синхротронного излучения. Во-вторых, передовые технологии создания новых конструкционных материалов в интересах промышленного сектора. В-третьих, программы подготовки высококвалифицированных научных кадров и первые команды специалистов, готовых эффективно решать комплексные научные и прикладные задачи с использованием синхротронного и нейтронного излучения.
В реализации проекта «In situ методы синхротронных исследований многослойных функциональных структур с уникальными параметрами и свойствами, созданных пучково-плазменной инженерией поверхности» под руководством советника ИСЭ СО РАН академика Николая Александровича Ратахина участвуют Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), Томский научный центр СО РАН, Томский политехнический университет, Томский государственный университет и Томский университет систем управления и радиоэлектроники, Институт электрофизики Уральского отделения РАН, а также Уфимский государственный авиационный технический университет и предприятие авиационной промышленности «Технопарк-АТ». Свою заинтересованность в результатах проекта выразили около десяти крупных и средних предприятий авиакосмической, оборонной, инструментальной и нефтегазовой отраслей.
«Синхротронное и нейтронное излучение является наиболее эффективным инструментом изучения широкого класса объектов, от поверхностей и объемных материалов до жидких и биологических сред, на наноразмерном и менее уровнях, — поясняет заместитель руководителя проекта, заведующий лабораторией пучково-плазменной инженерии поверхности ИСЭ СО РАН кандидат технических наук Владимир Викторович Денисов. — В отличие от традиционных способов исследований такие излучения, обладая высокой интенсивностью, позволяют получить информацию за время менее секунды в процессе роста покрытия или модификации поверхности импульсными потоками энергии (это и есть так называемый режим in situ), что дает возможность исследователям наблюдать процессы синтеза материалов и биологических объектов на новом уровне. С применением синхротронного и нейтронного излучения связывают будущие прорывы в целом ряде областей, в том числе в борьбе с распространением биологических угроз, что чрезвычайно важно в ситуации пандемии».
По словам Владимира Денисова, совместное использование источников синхротронного излучения и методов пучково-плазменной инженерии поверхности также открывает качественно новые возможности для изучения и определения фундаментальных механизмов фазовых превращений, создания уникального научного оборудования и перспективных технологий. Кроме того, это будет способствовать снижению в несколько раз времени разработки и внедрения новых выдерживающих экстремальные условия эксплуатации материалов для Арктики, судостроения, авиакосмической и нефтегазовой отраслей.
Надо отметить, что в институте есть значительный опыт по эффективному решению различных задач, связанных как с существенным улучшением свойств материалов и изделий и увеличением срока их службы с помощью ионно-плазменного оборудования, разработанного в ИСЭ СО РАН, так и с исследованием структурно-фазового состояния поверхностного слоя материалов после модификации или нанесения покрытий с использованием синхротронного излучения в коллаборации с сотрудниками Центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения».
В ИСЭ СО РАН создана молодежная лаборатория пучково-плазменной инженерии поверхности. Одним из направлений ее деятельности стали исследования в области разработки электроразрядного и плазменного оборудования и технологий для инженерии поверхности материалов и изделий для кратного повышения их физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик. Коллектив лаборатории активно включился в работу проектного офиса ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов», поэтому подготовка заявки для участия в конкурсе и победа в нем явились закономерным шагом, объединившим усилия десяти организаций, которыми накоплен значительный научно-технический задел.
«Наш проект имеет комплексный характер, его реализация будет вестись по трем направлениям одновременно — это обновление и создание современной инфраструктуры, разработка новых конструкционных материалов с улучшенными свойствами и технологий их создания, подготовка специалистов в области разработки и использования источников синхротронного и нейтронного излучения», — отмечает В. Денисов.
За 2021—2023 годы ученые создадут лабораторный вакуумный электронно-ионно-плазменный стенд, который объединит в себе возможности электронно-ионно-плазменных методов синтеза покрытий на поверхности конструкционных материалов и методов диагностики свойств материалов с использованием синхротронного излучения. Стенд перенесут в ИЯФ СО РАН на станцию на источнике СИ ВЭПП-3, где он будет применяться для исследования в режиме реального времени процессов при синтезе многослойных структур, анализа их элементного, фазового состава и структуры. Еще один подобный стенд разработают специально для Центра синхротронных и нейтронных исследований и пучково-плазменной инженерии для подготовки кадров. Центр откроется в ИСЭ СО РАН в рамках программы реализации гранта.
«Важным блоком нашего проекта является образовательный, — продолжает Владимир Денисов. — В области нового междисциплинарного направления необходимо сформировать подходы и методики подготовки кадров, обладающих знаниями для работы с методиками синхротронных исследований и высокотехнологичным оборудованием, способных реализовывать комплексные исследования на источнике синхротронного излучения ЦКП СКИФ. Три вуза — ТПУ, ТГУ и ТУСУР — должны будут разработать три дополнительные профессиональные образовательные программы. За три года мы подготовим более 80 специалистов в области синхротронных и нейтронных исследований и пучково-плазменной инженерии поверхности».
Главным итогом совместной работы ученых из разных организаций станут технологии создания новых материалов с улучшенными свойствами для работы в экстремальных условиях и различные изделия из них. Так, жаропрочные (до 1 500 °C) и износостойкие материалы будут востребованы при создании отдельных узлов истребителей последнего поколения и гражданских самолетов, а твердооксидные топливные элементы и литий-ионные проводники найдут свое применение при производстве автономных источников энергии. Круг их применения очень широк: атомная энергетика, медицина, машиностроение, нефтегазовая отрасль, иными словами, все те сферы, где любому изделию или конструкции приходится сталкиваться с воздействием множества неблагоприятных факторов.
Также консорциум томских академических институтов и вузов должен разработать техническое задание для проектирования одной из станций ЦКП СКИФ второй или третьей очереди — «Поверхность». На ее базе будут проводиться исследования, направленные на создание новых конструкционных и функциональных материалов.
Ольга Булгакова, ТНЦ СО РАН. Фото автора
