Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Исследование атомной структуры, механизмов диффузии и пластической деформации вблизи границ раздела в нанокристаллических металлических материалах

Отношение к критическим технологиям:
Нанотехнологии и наноматериалы


Контактная информация

ФИО пользователя
Полетаев Геннадий Михайлович


Почтовый адрес
, ул. 50 лет СССР, д. 25


ФИО руководителя проекта:
Полетаев Геннадий Михайлович


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Существенное отличие деформационного поведения поликристаллов от монокристаллов традиционно связывают с влиянием границ зерен. Поэтому целью многих исследований является установление процессов, происходящих на границах зерен при пластической деформации, и связи этих процессов с механическими свойствами материалов. В последнее время все большее внимание уделяется материалам с очень малым размером зерен – ультрамелкозернистым материалам. К ним относятся субмикрокристаллические со средним размером зерен около 100 нм и нанокристаллические с размером зерен порядка нескольких десятков нанометров. Их получают путем интенсивной пластической деформации, конденсацией из газовой фазы. Повышенный интерес к ним связан с их уникальными физико-механическими свойствами. Они имеют высокие прочностные свойства, более пластичны, чем обычные поликристаллы, обладают уникальными тепловыми и магнитными свойствами, относительно высоким коэффициентом самодиффузии и т.д. Наличие этих свойств обусловлено, в первую очередь, высокой плотностью границ зерен и тройных стыков в ультрамелкозернистых материалах, а также высокой долей неравновесных границ зерен. Основной задачей проекта является исследование методом компьютерного моделирования атомной структуры и атомных механизмов диффузии и пластической деформации вблизи границ раздела в нанокристаллических металлических материалах в условиях различных внешних воздействий, при различной концентрации дефектов. Будут рассмотрены поликристаллы ГЦК металлов Ni, Cu, Al, Pd, Ag и др. По обобщенным результатам, полученным в проекте, будут сделаны рекомендации относительно управления физико-механическими свойствами нанокристаллических материалов. Решение представленных в проекте задач позволит развить фундаментальные представления в области материаловедения и физики конденсированного состояния. Предполагается внедрение результатов в учебный процесс по курсам физики конденсированного состояния и физического материаловедения. В результате выполнения проекта предполагается подготовка и защита двух кандидатских диссертаций. Рассматриваемая в проекте проблема относится в настоящее время к критической технологии Российской Федерации «Компьютерное моделирование наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий».


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
В настоящее время компьютерное моделирование наряду с реальным экспериментом и теорией выделилось в третье направление в физике конденсированного состояния. В последнее время растет число публикаций в мире по применению методов компьютерного моделирования при решении фундаментальных проблем физики конденсированного состояния и вопросов, связанных с проблемами создания новых материалов и наноматериалов. В последние несколько лет в мире резко возросло число публикаций, посвященных нанотехнологиям, в том числе наноструктурам из металлов и сплавов. Во многих ситуациях только на основе компьютерного моделирования может быть развита наиболее полная теория, позволяющая решать проблемы создания, управления свойствами и структурой нанообъектов и наноструктур. Настоящий проект направлен на исследование методом компьютерного моделирования атомной структуры и атомных механизмов диффузии и пластической деформации вблизи границ раздела в нанокристаллических металлических материалах в условиях различных внешних воздействий, при различной концентрации дефектов. По обобщенным результатам, полученным в проекте, будут сделаны рекомендации относительно управления физико-механическими свойствами нанокристаллических материалов. Коллектив располагает собственным подходом к решению поставленных задач, собственными программными продуктами. Полученные ранее результаты многократно публиковались в российских и международных рецензируемых изданиях, неоднократно докладывались на конференциях и симпозиумах. Рассматриваемые в проекте вопросы соответствуют области применения результатов к проблемам нанотехнологий, наноматериалов, новых перспективных материалов.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
Для решения поставленных в проекте задач предполагается расширение и усовершенствование программного продукта, накопление баз данных относительно свойств исследуемых материалов, совершенствование методики и техники компьютерного эксперимента, расширение набора потенциалов, описывающих межатомные взаимодействия в исследуемых материалах. Используемые подходы и методы являются собственностью коллектива и не уступают мировому уровню, а в некоторых аспектах являются пионерскими. В качестве основного метода моделирования в проекте будет использоваться метод молекулярной динамики. Общий план работы на весь срок выполнения проекта: 1. Создание новых программных продуктов для задач исследования с использованием метода молекулярной динамики атомной структуры и процессов вблизи границ зерен и тройных стыков в металлических нанокристаллических материалах. Развитие комплекса визуализаторов атомной структуры и ее динамики. 2. Исследование атомной структуры границ кристаллических зерен нанометрового размера. Изучение статистики типов границ. Выяснение их стабильности, структурно-энергетических характеристик. Исследование атомной структуры тройных стыков. 3. Исследование атомных механизмов диффузии по границам раздела в нанокристаллических ГЦК металлах. 4. Исследование взаимодействия границ зерен и тройных стыков с точечными дефектами и дислокациями. 5. Исследование атомных механизмов пластической деформации с участием границ зерен и тройных стыков в нанокристаллических материалах. 6. Исследование влияния различных факторов на прочностные свойства нанокристаллических материалов. 7. Поиск возможных приложений результатов при решении практических задач и проблем по направлению исследований, представленных в настоящем проекте.


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Решение представленных в проекте задач позволит развить фундаментальные представления в области материаловедения и физики конденсированного состояния. Предполагается внедрение результатов в учебный процесс по курсам физики конденсированного состояния и физического материаловедения.


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
1. С использованием собственных оригинальных компьютерных программ методом молекулярной динамики была исследована структура границ зерен наклона с осями разориентации <111> и <100> в ГЦК металлах Ni, Cu, Al. Были получены структурно-энергетические характеристики данных границ, в том числе зависимости энергии границ от угла разориентации. Изучены атомные механизмы диффузии и пластической деформации вблизи границ наклона. В зависимости от угла разориентации получены диффузионные характеристики границ наклона. По результатам данных исследований опубликовано две монографии, статьи в российских и зарубежных рецензируемых журналах, сделаны доклады на международных конференциях. Данные результаты вошли в число результатов, по которым были защищены докторская диссертация Полетаева Г.М. «Атомные механизмы структурно-энергетических превращений в объеме кристаллов и вблизи границ зерен наклона в ГЦК металлах» (Барнаул, 2008) и кандидатская диссертация Ракитина Р.Ю. «Исследование механизмов диффузии по границам зерен наклона в ГЦК металлах» (Барнаул, 2006). 2. Методом молекулярной динамики исследована структура границ кручения в плоскостях (100), (110), (111) в ГЦК металлах Ni, Cu, Al. Получены структурно-энергетические характеристики данных границ, в том числе зависимости энергии образования от угла разориентации. Изучены атомные механизмы диффузии по границам кручения при наличии и в отсутствие внесенных точечных дефектов. В зависимости от угла разориентации получены диффузионные характеристики границ кручения. По результатам данных исследований опубликованы статьи в российских и зарубежных рецензируемых журналах, сделаны доклады на международных конференциях, готовится к защите кандидатская диссертация Мартынова А.Н. Коллектив располагает собственным лицензионным программным продуктом: 1. Полетаев Г.М. Моделирование методом молекулярной динамики структурно-энергетических превращений в двумерных металлах и сплавах (MD2). Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2008610486 от 25.01.2008. 2. Полетаев Г.М. Моделирование методом молекулярной динамики структурно-энергетических превращений в трехмерных ГЦК металлах (MD3). Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2008610487 от 25.01.2008. 3. Ракитин Р.Ю. Границы зерен в металлах (GB3D). Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2008615801 от 30.01.2009.


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Данный вопрос не рассматривался


Тип научно-исследовательской работы
Прочее


Описание основных ожидаемых научных результатов
К концу 2012 года планируется исследовать атомную структуру границ кристаллических зерен разметом от нескольких до нескольких десятков нанометров, а также тройных стыков, в поликристаллах ГЦК металлов; изучить статистику типов границ зерен; определить стабильность и основные структурно-энергетические характеристики границ зерен и тройных стыков. Планируется провести исследование атомных механизмов диффузии по границам раздела в нанокристаллических ГЦК металлах; исследовать взаимодействие границ зерен и тройных стыков с точечными дефектами и дислокациями. По полученным в 2012 году результатам будут сделаны рекомендации относительно возможностей повышения стабильности нанокристаллической структуры и концентрации неравновесных границ раздела, а также возможностей управления подвижности дефектов в нанокристаллических материалах.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
По теме проекта в 2012-2013 гг предполагается опубликовать не менее 14 статей в рецензируемых изданиях, сделать доклады на российских и международных симпозиумах и конференциях, подготовить к защите 2 кандидатские диссертации. Ряд новых результатов предполагается использовать в учебных курсах по физике конденсированных сред и современному материаловедению.


Срок реализации Проекта (месяцев)
24


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
300


Ключевые слова

Микро- и нанотехнологии, связанные с физикой и точными науками, Физика твердого тела


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-