Ученые НИТУ МИСИС в сотрудничестве с коллегами из Китайского горно-технологического университета представили композит на основе соединения металла и металлического стекла. Материал способен сохранять прочность и пластичность при температурах до -195,75°C благодаря эффекту самонагрева. В перспективе разработка поможет продлить срок службы аэрокосмических аппаратов, а также техники, предназначенной для эксплуатации в условиях Арктики.
Чем ниже температура, тем более хрупкой становится кристаллическая решетка металлов, что ограничивает их применение на Крайнем Севере и в открытом космосе. Для решения этой задачи группа исследователей НИТУ МИСИС разработала многослойные нанокомпозиты, которые сохраняют механические характеристики при температуре жидкого азота. Принцип работы основан на том, что при появлении трещин на границе соединения сплавов атомы приходят в движение, выделяя тепло. Это тепло нагревает металл изнутри, предотвращая дальнейший износ.
«Возникновение трещин на границе кристаллического и аморфного слоя провоцирует атомные скачки, нагревающие материал. Такое локальное повышение температуры позволяет предотвратить хрупкое разрушение, то есть мгновенный раскол без заметной деформации на множество острых фрагментов. Разогретый композит становится пластичнее и замедляет рост трещин. Такое уникальное поведение отличает новый многослойный композиционный материал от традиционных металлических сплавов», — рассказал д.т.н. Иван Ушаков, заведующий кафедрой физики НИТУ МИСИС.
Предложенный композит — многослойное соединение легкоплавкого кристаллического металла и аморфных металлических пластин. Численное моделирование, выполненное с помощью метода конечных элементов, подтвердило, что местное повышение температуры трещины в зоне фазовой границы создает оптимальные условия для сохранения пластичности при растяжении. Подробные результаты опубликованы в научном журнале Nanomaterials (Q1).
«При воздействии механических нагрузок сплав остается целостным, что актуально для оборудования криогенной промышленности и добычи полезных ископаемых в арктической зоне. Благодаря классическим методам пайки производство и переработка композита остаются относительно простыми», — поделился доцент кафедры физики НИТУ МИСИС Иван Сафронов.
В дальнейшем исследовательский коллектив планирует усовершенствовать прочностные характеристики технологии, а также изучить перспективы радиационно-устойчивых вариантов предложенного материала. Работа выполнена в рамках реализации стратегического проекта НИТУ МИСИС «Материалы будущего» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030» (грант № K7-2023-010), а также при финансовой поддержке Государственного фонда естественных наук Китая (проекты № 51774289 и № 52074291).