«Моделирование, синтез и эксперимент образуют замкнутый цифровой цикл разработки»

Как исследователи создают новый материал?

Создание нового материала начинается с этапа цифрового проектирования, когда с помощью квантово-химического моделирования, молекулярной динамики и методов машинного обучения моделируются потенциальные кристаллические структуры и рассчитываются их физико-химические свойства (прочность, теплопроводность, устойчивость к радиации и др.). Использование специализированных программных пакетов и материаловедческих баз данных позволяет эффективно отсеивать малоперспективные варианты.

Затем наиболее интересные кандидаты синтезируются в лаборатории с применением современных технологий: от химического осаждения и лазерной абляции до методов высоких давлений или 3D-печати. Полученные образцы проходят экспериментальную валидацию, сравниваются с расчётами и при подтверждении свойств проходят оптимизацию под технологические процессы. Таким образом моделирование, синтез и эксперимент образуют замкнутый цифровой цикл разработки.

Как происходит испытание материала?

Испытания делятся на структурные и эксплуатационные. На первом этапе применяются методы электронной и рентгеновской микроскопии, спектроскопии, дифракции. Они позволяют подтвердить кристаллическую структуру, фазовый состав, обнаружить дефекты.

Далее следуют физико-механические испытания: проверяются прочность на разрыв, твердость, усталость, жаростойкость, стойкость к коррозии и радиации. В атомной отрасли особое внимание уделяется радиационной стойкости, долговечности при высоких температурах и совместимости с другими конструкционными материалами. Всё чаще испытания сопровождаются цифровыми методами визуализации, а на стадии опытно-промышленного внедрения — интеграцией с цифровыми двойниками изделий и процессов.

Какие материалы можно назвать сейчас самыми перспективными? Какие у них сферы применения?

Среди наиболее перспективных направлений можно выделить высокоэнтропийные сплавы. Они сочетают высокую прочность, термостойкость и стойкость к радиации. Они перспективны для применения в ядерных установках, реакторах нового поколения, авиации. Затем стоит отметить двумерные материалы (графен, нитрид бора, переходные дихалькогениды) — они могут применяться в электронике, сенсорах, системах хранения энергии. Также можно отметить сверхтвердые материалы, включая ультратвёрдые фазы фуллерита и алмазоподобные покрытия, они критичны для режущих инструментов, буровых головок и защитных покрытий в условиях экстремальных нагрузок.

Углеродные нанотрубки обладают выдающимися механическими, тепловыми и электрическими характеристиками. Используются в составе полимерных композитов для повышения прочности и теплопроводности, в токопроводящих покрытиях, экранах от электромагнитных помех и перспективных сорбентах для газоразделения. Разрабатываются также мембраны на основе нанотрубок для водоочистки и водородной энергетики.

Эти материалы критичны для технологического суверенитета, повышения эффективности промышленных процессов и устойчивости к внешним факторам, включая высокие температуры и радиационные нагрузки.

Фото: Пресс-служба НИТУ МИСИС