Группа исследователей под руководством Анны Ефтифеевой из лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ Томского государственного университета (ТГУ) представила уникальный сплав CoNiAlFe, который обладает превосходными характеристиками и может стать революционным материалом для экстремальных условий Арктики и космических миссий. Научный проект реализуется при поддержке Российского научного фонда (РНФ). В его основе лежит идея создания недорогого материала с памятью формы, с максимальной стабильностью во время многократного использования и устойчивостью к суровым перепадам температур.
Вдохновение и цель исследования
Проект стартовал в 2023 году с исследования свойств монокристаллов CoNiAl — сплава, комбинирующего кобальт, никель и алюминий. Коллектив ТГУ, вдохновлённый успехами, решил расширить возможности сплава, добавив в его состав железо. Новый четырёхкомпонентный материал получил название CoNiAlFe и сразу показал уникальные характеристики: благодаря легированию железом диапазон рабочих температур увеличился на 50 градусов в сторону холодов, а прочность оказалась выше аналогов на 50%.
Специалисты ТГУ ставят перед собой задачу существенно продвинуть технологии, необходимые для освоения Арктики и космоса. Сплавы с выраженным двусторонним эффектом памяти формы идеально подходят для изготовления ответственных деталей в составе современных ледоколов, космических кораблей, робототехники и систем автоматизации.
Исключительная прочность и технологическая доступность
Одним из важнейших преимуществ сплава CoNiAlFe, полученного в ТГУ при поддержке РНФ, является его способность выдерживать нагрузки, превышающие аналогичные материалы почти в полтора раза. Более того, его ключевое отличие – широкий рабочий температурный диапазон. Это делает сплав незаменимым, когда речь идёт о полярных экспедициях, металлургии, авиа- и ракетостроении, а также высокотехнологичных системах на морских и космических судах.
Монокристаллическая структура CoNiAlFe обеспечивает ему термомеханическую стабильность и длительный срок службы. В отличие от большинства промышленных материалов, сфокусированных на поликристаллах, в лаборатории СФТИ занимаются выращиванием и анализом именно монокристаллических образцов, чем и отличают свои разработки на мировом уровне.
Дополнительный плюс — экономичность изготовления. Технология производства сплава адаптирована как для исследовательских лабораторий, так и для промышленного серийного внедрения. Простая сборка и обслуживание комплектующих на основе CoNiAlFe обещают снизить эксплуатационные издержки и повысить надёжность оборудования, что особенно ценно в труднодоступных и экстремальных регионах России.
Применения: Арктика, космос и не только
Как отмечают авторы исследования, новый материал идеально подходит для механизмов, где необходимы высокоточная повторяемость движений и устойчивость к многочисленным циклам работы. Компактные приводы и актюаторы с памятью формы реализуют новые возможности в управлении сложными системами, позволяя создавать надёжные, лёгкие и энергоэффективные конструкции.
К примеру, в арктических ледоколах российской постройки такие сплавы пригодятся для автоматических приводов — изделия не теряют рабочих свойств даже после тысяч температурных переходов и физического воздействия. В аппаратуре, эксплуатируемой в открытом космосе, этот материал гарантирует стабильную работу на фоне крайней холодности или перегрева. Со временем CoNiAlFe сможет заменить классические металлы, где риски поломки особенно критичны.
Кроме того, спектр применения сплава шире: от инновационных аварийных систем и противопожарных датчиков, до робототехнических манипуляторов, ответственных медицинских устройств, электронных контроллеров и современных транспортных решений.
Преимущество двустороннего эффекта памяти формы
Уникальная особенность CoNiAlFe — его двусторонний эффект памяти формы. Это означает, что изделия из такого материала способны менять свою геометрию при изменениях температуры или другом внешнем воздействии, а затем возвращаться в исходное положение. Причём подобные трансформации могут многократно повторяться без потери работоспособности. Такой показатель, известный как “циклическая стабильность”, продлевает жизнь изделий, минимизирует риск аварий и уменьшает затраты на техническое обслуживание.
Универсальность применения материала с памятью формы особенно заметна в системах автоматизированной безопасности. Так, например, в противопожарной сигнализации: контакт из CoNiAlFe реагирует на повышение температуры, автоматически изменяя форму и приводя в действие сигнал тревоги без сложных механизмов или дополнительных источников энергии.
Международное признание и перспективы развития
Работа команды Анны Ефтифеевой, курируемая ТГУ и поддерживаемая Российским научным фондом, уже сегодня вызывает интерес у зарубежных профильных институтов. Лаборатория физики высокопрочных кристаллов занимает уникальное место на мировом научном ландшафте: проведение исследований на монокристаллах CoNiAl и CoNiAlFe в столь широкой температурной амплитуде почти не имеет аналогов.
Полученные результаты не только способствуют развитию российской прикладной металлургии, но и укрепляют позиции страны в перечне лидеров по созданию новых материалов для использования в условиях сложной техногенной среды. Оптимистичный тон будущего: уникальная российская разработка CoNiAlFe — это шаг навстречу эффективному освоению Арктики и новых космических горизонтов, а значит, безопасность и комфорт для всех, кто работает на “краю Земли” и за её пределами.
На втором этапе исследовательской работы внимания ученых привлек сплав, состав которого дополнили железом, в результате чего он стал четырехкомпонентным. Исследования выявили ярко выраженное явление памяти формы в циклах «охлаждение — нагрев» даже без приложенной нагрузки: величина обратимой деформации достигла внушительных 6–8%. Этот результат продемонстрировал чрезвычайную стабильность — сплав сохранял свои характеристики в течение 100 повторных циклов. По мнению руководителя проекта Анны Ефтифеевой, благодаря введению железа возрастает энтропия смещения, что, предположительно, приводит к заметному росту термомеханической и циклической устойчивости сверхэластичности материала. В дальнейшем добавление железа способно обеспечить термомеханическую стабильность сплава даже при температурах до 200 градусов, расширяя возможности его использования в более широком температурном диапазоне.
Железо — путь к прочности и новым возможностям
Присутствие железа в составе сплава CoNiAlFe оказало существенное влияние на его физические свойства, в частности, на прочность. Специалисты лаборатории зафиксировали, что данный материал способен выдерживать рабочие нагрузки вплоть до 1000 мегапаскалей, что примерно в 1,5 раза превышает показатели аналогичного сплава без железа. Таким образом, железо значительно повышает надежность и долговечность новых металлических комбинаций, делая их особенно привлекательными для промышленных и высокотехнологичных областей.
Контроль за стабильностью: испытания в реальных условиях
В рамках финального этапа исследования команда планирует сконцентрироваться на анализе циклической и термомеханической стойкости монокристаллических образцов сплава CoNiAlFe. Испытания будут проходить при высоких механических нагрузках и температурных колебаниях, при этом число циклов воздействия превысит сотню. Такое тестирование позволит детально изучить поведение материала в условиях, приближенных к эксплуатации в сложных инженерных или природных средах.
Сравнение монокристаллов и поликристаллов: поиск оптимального решения
Одной из задач является изучение отличий между монокристаллическими и поликристаллическими формами сплава CoNiAlFe. Монокристаллы известны своей высокой устойчивостью к разрушению благодаря отсутствию границ зерен, которые могут выступать зонами слабости. В то же время поликристаллы, обладая такими границами, склонны к более скорому разрушению под циклической нагрузкой, что снижает количество возможных циклов обратимой деформации — иногда до одного-двух раз. Тем не менее, поликристаллы отличаются доступной стоимостью и технологической простотой производства, что играет важную роль для широкого промышленного внедрения.
Анна Ефтифеева и команда ставят перед собой задачу преодолеть уязвимость поликристаллов, разрабатывая оптимальные методы термообработки. Хотя достижение сверхпластичности в поликристаллических образцах на уровне монокристаллов является очень сложной задачей, исследователи уверены, что благодаря инновационным подходам удастся существенно увеличить их долговечность и практическую ценность.
Команда профессионалов и поддержка научного фонда
Работа по проекту «Разработка физических основ повышения термомеханической и циклической стабильности сверхэластичности в среднеэнтропийных сплавах CoNiAl(Fe) для работы при экстремально высоких и низких температурах» осуществляется при грантовой поддержке Российского научного фонда. Под руководством кандидата физико-математических наук Анны Ефтифеевой в проекте участвуют младший научный сотрудник Антон Тагильцев, инженеры-исследователи Элеонора Янушоните, Мария Жердева, Илья Фаткуллин и Ирина Курлевская. Особую экспертную поддержку оказывает доцент кафедры физики металлов физического факультета ТГУ Сергей Аникеев.
В результате комплексных исследований и командной работы появляются новые отечественные сплавы, обладающие исключительной термомеханической стойкостью и сверхэластичностью. Эти материалы откроют путь к созданию более надежных устройств, способных функционировать в экстремальных условиях, что делает перспективы их применения невероятно широкими и вдохновляющими для современных технологий.
Впечатляющие достижения российских ученых в области изучения сверхэластичных свойств монокристаллов сплава CoNiAlFe представлены научному сообществу. Недавно Анна Ефтифеева, руководитель исследовательской группы, поделилась результатами своей работы на VI международной конференции «Сплавы с памятью формы», собравшей в Москве ведущих специалистов в данной области. Ее доклад вызвал живой интерес у участников благодаря инновационному подходу и высоким перспективам практического применения полученных данных.
Исследование новых материалов с уникальными свойствами
В процессе изучения была проведена тщательная оценка характеристик циклической стабильности сверхэластичности монокристаллов CoNiAlFe. Подобные материалы особое значение приобретают в создании современных технологий для самых различных отраслей — от освоения Арктики до космических проектов. Высокая устойчивость к нагрузкам и способность сохранять свою форму даже после многократных деформаций открывают путь для появления новых, еще более совершенных конструкций и устройств.
В ходе конференции были представлены экспериментальные данные, подтверждающие выдающуюся надежность и долговечность сплава CoNiAlFe. Эксперименты показали, что данный материал способен выдерживать продолжительные циклы нагрузки без существенной потери своих характеристик, что свидетельствует о его больших перспективах для внедрения в практику.
Оптимизм для будущих технологических решений
Отклики коллег подчеркивают значимость проделанной работы и отмечают высокий потенциал для развития новых методов проектирования и применения инновационных умных материалов. Исследование Анны Ефтифеевой и её команды вдохновляет на дальнейший поиск решений, способных изменить взгляд на привычные материалы. Такие открытия делают возможным создание устройств нового поколения и вносят важный вклад в развитие российской и мировой науки. Благодаря этим инициативам будущее материаловедения становится еще более ярким и многообещающим!
Источник: naked-science.ru
