Группа ученых НИТУ "МИСиС" и Университета Тохоку (Япония) под научным руководством приглашенного профессора Дмитрия Лузгина приступает к разработке уникальных гибридных металлических стекол для аэро-космической отрасли, микромеханики и медицины и намерена вывести Россию в мировые лидеры в этом перспективном классе конструкционных материалов. Объем финансирования исследования на 2014-15 гг. 25 млн. руб.
 
Металлические стекла это металлы/сплавы без традиционной кристаллической структуры, по сути, застывшая жидкость однородный аморфный материал, похожий в данном аспекте на классические оконные стекла. Получены во второй половине 20 в., однако бум исследований начался в конце 90-х прошлого и начале 00-х гг. текущего века, когда были получены массивные отливки, названные объемными металлическими стеклами (см. рисунок ниже), а интерес к ним связан с целым спектром необычных и выдающихся свойств данного материала
 
"Металлические стекла (метстекла) обладают в среднем в 2 раза большими прочностью по сравнению с кристаллическими сплавами близкого химического состава (параметры зависят от конкретных сплавов) и упругостью, более высокой коррозионной стойкостью (в т.ч. по отношению к кислотам, морской воде), повышенными твердостью и износостойкостью. Это обуславливается тем, что в металлических стеклах нет зеренной кристаллической структуры и т.н. границ зерен, из которых состоят типичные кристаллические материалы, в частности, металлы. В чем же преграда в их массовом распространении? Дело в том, что известные на сегодня метстекла обладают низкой пластичностью, особенно в виде макроскопических изделий. Не секрет, что даже обыкновенное оконное стекло можно деформировать, например, гнуть, до определенного предела. Происходящая деформация, не вызывающая разрушения стекла и позволяющая ему вернуться в исходную форму после прекращения внешнего воздействия, называется упругой деформацией. По достижении же определенного предела материал больше не может деформироваться упруго и начинается пластическая деформация. В обыкновенном стекле такая деформация моментально приводит к его разрушению. Кристаллический металл (или сплав нескольких металлов), наоборот, может легко гнуться, деформироваться, абсорбируя энергию внешнего воздействия. Металлические стекла занимают промежуточное положение между кристаллическим металлом (сплавом), который очень вязкий и может легко деформироваться, и оконным стеклом, которое не может деформироваться пластически", - сказал профессор Лузгин

"Задача, которая стоит перед объединенной исследовательской группой, это повысить пластичность и вязкость разрушения объемных металлических стекол, сделав их более устойчивыми к разрушению при деформации. Наши предыдущие исследования показали, что определенных результатов можно достичь совершенствованием состава самого стекла. Однако недавно мы обнаружили, что гораздо удобнее произвести новый класс материалов, т.н. материалы-гибриды. Это двухфазные соединения типа металлическое стекло-металлический кристалл, металлическое стекло-полимер, металлическое стекло- квазикристалл. В этом случае материал сочетает свойства и металлического стекла с его прочностью, твердостью и износостойкостью, и пластичность металлического кристалла или полимера. Если мы комбинируем металлическое стекло и полимер, то получаем дополнительно такие свойства, как меньший вес материала и, соответственно, его большую удельную прочность", - отметил проф. Лузгин

Усилия группы ученых из порядка 30 специалистов будут сконцентрированы, в первую очередь, на легких металлах с высокой удельной прочностью, в частности, на сплавах титана и магния. "В своей работе мы также стремимся уйти от использования дорогих материалов в составе, что в конечном итоге позволит решить еще один вопрос на пути массового внедрения металлических стекол, это проблема их высокой стоимости. С активизацией интереса к данному классу материалов в 90-х гг. поначалу в его составе использовались палладий, лантан, цирконий, что существенно увеличивало стоимость конечной продукции, влияя на ход исследований в области метгласов и замедляя применение данных материалов", - сказал Дмитрий Лузгин

Металлические стекла являются перспективным материалом для аэро-космической отрасли, автомобилестроения, микромеханики (в т.ч. для часов, смартфонов, микромоторов и др. устройств, где важна высокая износостойкость и высокое качество поверхности), уже сегодня из метстекол делают спортивные товары, в т.ч. клюшки для гольфа, ракетки и др. В силу своей высокой коррозионной стойкости металлические стекла из титана проходят испытания в качестве имплантатов в медицине, а также для изготовления хирургического инструмента

Впервые металлические стекла были получены в 40-х гг. 20 в. методами электролитического осаждения металлов из растворов и вакуумного низкотемпературного напыления. Исследования показали, что данные материалы не имеют кристаллического строения, т.е. являются металлическими стеклами. Однако начало активному изучению аморфных металлов было положено в 1960 г., когда в Калифорнийском технологическом институте (США) группой под руководством профессора Дюве (англ. Pol Duwez) было получено металлическое стекло Au75Si25. Большой научный интерес к теме стал проявляться с 70-х гг. 20 в., с появлением технологии получения металлических лент толщиной в десятки микрометров, первоначально в США и Японии, а вскоре - в Европе, СССР и КНР

Однако расцвет исследований пришелся на 90-е гг. прошлого века, когда удалось получить первые отливки объемных металлических стекол размером от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в каждом из пространственных измерений. Возросший интерес к теме метстекол был связан в т.ч. с наступившим в конце 20 в. "насыщением" в области материаловедения кристаллических сплавов. Все большие интеллектуальные и финансовые вложения приносили все меньшую отдачу, и исследователи с производителями были вынуждены искать новые сферы приложения усилий. Вначале объемные металлические стекла изготавливали на основе дорогого палладия, потом лантана (совершенно неконструкционного материала - прим. авт.), затем циркония. В 2000-х гг. объемные металлические стекла начали получать из относительно недорогих титана и магния

Металлические стекла изначально не существуют в природе как отдельный материал, на сегодняшний день есть следующие основные способы их получения

1. Осаждение газообразного металла
   • Вакуумное напыление
     
   • Магнетронное распыление
     
   • Химические реакции в газовой фазе
   
   
2. Затвердевание жидкого металла
   • Затвердевание из жидкого состояния - метод наиболее удобный для получения больших объемов материала, в том числе объемных металлических стекол.
3. Нарушение кристаллической структуры твердого металла
   • Облучение частицами
     
   • Воздействие ударной волной
     
   • Ионная имплантация
   
   
4. Электролитическое осаждение из растворов

Грант профессора Лузгина (управляемый при поддержке лаборатории др-а Солонина, МИСиС) рассчитан на 2 года с возможностью продления. Развиваться проект будет на базе Института новых материалов и нанотехнологий МИСиС, при участии кафедры "Металловедение цветных металлов", а также лабораторий "Зондовая микроскопия" и "Сканирующая туннельная микроскопия" Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

О проф. Дмитрии Лузгине

Профессор, доктор технических наук, индекс Хирша 28. Профессиональная деятельность проф. Лузгина и его коллектива связана с изучением структуры, механизмов формирования, фазовых превращений, деформации объемных металлических стекол, наноструктурных материалов и материалов, имеющих смешанную структуру, а также их механических и прочих физических свойств. Имеет многолетний опыт в различных видах техники структурного анализа, в частности, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) стеклообразных и наноструктурированных материалов, включая дифракцию от нанообъектов и получения изображений ПЭМ с высоким разрешением. Выполняет анализ картин дифракции рентгеновских лучей синхротронного излучения, включая построение функции радиального распределения для аморфных сплавов

Профессиональная деятельность

• 2007-н.в. - профессор, заведующий лабораторией, Университет Тохоку, Япония
  
• 2005-2007 - адъюнкт-профессор, заместитель заведующего лабораторией, Университет Тохоку, Япония
  
• 1998-2005 - научный сотрудник, Университет Тохоку, Япония.

Образование

• 1995-1998 - аспирант, Университет Тохоку, Япония.
  
• 1991-1994 - аспирант, МИСиС
  
• 1984-1991 - студент, МИСиС

Научные публикации

Более 300 научных статей в ведущих международных журналах, несколько глав в монографиях, принимал участие во множестве международных конференций в качестве приглашенного докладчика....