В отделе проводятся экспериментальные и теоретические исследования изменений свойств и структуры конструкционных и функциональных материалов при воздействии температурно-силовых, радиационных, магнитных и электрических полей для разработки новых материалов и технологий для атомной энергетики и других областей техники:

– исследования процессов пластической деформации, структурообразования, упрочнения, разупрочнения и разрушения конструкционных материалов реакторостроения и криогенной техники в экстремальных условиях воздействий (большие пластические деформации, широкая область температур, включая низкие, сильные магнитные поля, облучение и их сочетание) и установление связи между структурными факторами и физико-механическими свойствами для получения материалов с высокими характеристиками и восстановления свойств, деградировавших при эксплуатации;

– экспериментальные и теоретические исследования на атомном уровне структуры дефектов кристаллической решётки, процессов их взаимодействия и эволюции структурных элементов при механико-термических и радиационных воздействиях; исследования методами полевой ионной микроскопии квантовых объектов – атомных цепочек углерода и графена;

– поиск и исследование новых физических явлений, реализующихся в чистых и сверхчистых металлах и сплавах на их основе с целью их использования для разработки новых технологий в атомной энергетике и иных областях техники; исследование особенностей электрофизических и магнитных свойств в сверхпроводящем, нормальном и магнитоупорядоченном состояниях металлов и сплавов со структурами нанометрового масштаба;

– исследования адсорбции и десорбции различных газообразных веществ, включая газовые продукты деления ядерного топлива и водород, функциональными и конструкционными материалами; исследование свойств угольных сорбентов, представленных на рынке, для их использования при изготовлении и ремонте йодных фильтров системы вентиляции АЭС.

Исследования в области физики прочности

Уникальными методами интенсивных пластических деформаций при криогенных температурах (квазигидроэкструзия (КГЭ), прокатка, волочение) получены наноструктурные конструкционные материалы (аустенитные стали, Zr, Ti, Nb и сплавы) с высоким уровнем свойств (превышающих полученные при традиционных обработках). Экспериментально обоснована целесообразность последовательного сочетания различных по эпюре напряжения обработки давлением для достижения высокого уровня упрочнения без нарушения сплошности материала.

Зависимость предела текучести сплава ВТ6 от степени деформации квазигидроэкструзией при 77 К после изотермической ковки

Для магнитоупорядоченных металлов теоретически и экспериментально установлена единая природа магнитопластического (при действии переменного магнитного поля (МП)) и електропластического (при воздействии электрического поля (ЭП)) эффектов, которая заключается в разупрочнения металла вследствие открепления дислокаций от стопоров благодаря коротковолновым (дебаевским) фононам, генерируемым в результате электрон-фононного взаимодействия (ЭФВ) электронами, получившими энергию от электрического поля (индукционного при МП эффекте) (совместно с ИПЭНМУ).

Развиты методы релаксационных энергетических воздействий (ультразвук, нестационарные магнитные поля) применительно к материалам и сварным соединениям оборудования АЭС:

– в результате ультразвукового воздействия наноструктурный сплав Zr1Nb, полученный комбинированной интенсивной деформацией при 77 и 300 К, по сравнению с рекристаллизованным состоянием, имеет более высокое сопротивление ползучести и уровень прочности с сохранением достаточного уровня пластичности при температуре эксплуатации оболочек ТВЭЛов;

– воздействие переменного магнитного поля промышленной частоты в определённом режиме вызывает существенное снижение эффектов радиационного и деформационного упрочнения и термических макронапряжений у корпусной стали 15Х2НМФА и её сварных соединений.

Температурные зависимости ударной вязкости a_K

до магнитной обработки

после магнитной обработки

Структура сварного соединения (сталь вблизи сварного шва и сам шов) стали 15Х2НМФА до и после магнитной обработки

Исследования тонкой структуры и свойств микро-, нано- и пикоразмерных материалов методами полевой эмиссионной микроскопии и математического моделирования

Экспериментально и теоретически определена прочность углеродных моноатомных цепочек. Методом высокополевого нагружения электрическим полем установлено, что максимальное экспериментальное значение прочности углеродных цепочек при 5 К составляет 270 ГПа, что соответствует 90% теоретического значения прочности идеальной углеродной цепочки. Эта величина превышает прочность всех известных материалов, включая углеродные нанотрубки и графен.

Экспериментально и теоретически исследовано изменение увеличения разрешения криогенного полевого ионного микроскопа при уменьшении размеров образцов в нано- и субнанометровых диапазонах. Установлено существование аномального увеличения полевых ионных изображений и улучшения пределов разрешения до 0,40 ± 0,05 Å.

Схема процесса полевой ионизации гелия на вершине моноатомной углеродной цепочки

Энергия когезии специальных несоразмерных зёрен в зависимости от угла разориентации

Методом полевой ионной микроскопии и математического моделирования обнаружен новый класс несимметричных специальных границ зёрен, не описываемых традиционной теорией решёток совпадающих узлов (РСУ). Установлено, что такие специальные не-РСУ границы обладают высокой когезионной прочностью, близкой к теоретической, и доминируют в спектре границ холоднотянутого высокотекстурированного вольфрама. Полученные результаты могут быть использованы в зернограничной инженерии высокопрочных и радиационно-стойких поликристаллических функциональных и конструкционных материалов реакторостроения.

Методами низкотемпературной полевой ионной микроскопии обнаружено явление взаимодействия дальнего порядка поверхностных атомов радиационного происхождения с собственными межузельными атомами в приповерхностных слоях. Установлено, что в процессе облучения вольфрама атомами гелия в результате такого взаимодействия возникает неплотно упакованные двумерные кластеры адатомов, а также самосогласованно формируются одномерные поверхностные цепочки с межатомным расстоянием ≈ 1 нм (отмечены розовыми стрелками). Установлен новый коллективный механизм радиационно-стимулированной поверхностной диффузии, включающий формирование в поверхностном слое линейно делокализованных вакансий – воидионов (пунктирная линия на схеме); красным цветом отмечен адатом, возникший при облучении.

Образование линейных цепочек адатомов в результате дальнодействующего взаимодействия

Схема движения воидиона

Развитие представлений о природе высокотемпературных сверхпроводников

С использованием разработанной оригинальной методики планарно-контактного зондирования электронной подсистемы впервые обнаружена масштабная дырочно-электронная конверсия носителей заряда перед переходом купратных ВТСП в сверхпроводящее состояние (резкий сброс электросопротивления, точка 4 на рисунке), что свидетельствует об электронно-топологическом переходе Лифшица, связанным с достижением температуры 2D-3D кроссовера (температуры трехмеризации ВТСП).

Впервые получены убедительные экспериментальные свидетельства существования в псевдощелевом состоянии ВТСП положительно заряженных локальных пар (ЛП), концепция которых происходит из модели Хаббарда. Установлено существование нескольких стадий температурной эволюции псевдощели и показано снижение теплопроводности ВТСП за счёт ЛП.

Прецизионные акустические исследования кристаллических и аморфных материалов

В области температур 77 – 300 К измерены упругие, колебательные и диссипативные характеристики объёмных металлических стёкол (ОМС): Zr_41,2Ti_13,8Cu_12,5Ni₁₀Be_22,5, Zr_52,5Ti₅Cu_17,9Ni_14,6Al₁₀ и (Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁. Показано, что различия упругих модулей и дебаевской температуры ОМС с Be и Al соответствует различию размеров области среднего упорядочения в модели эффективной кластерной упаковки. Различие упругих модулей и дебаевской температуры ОМС с Be и Al соответствует различию размеров области среднего упорядочения в модели эффективной кластерной упаковки. Установленные особенности поглощения ультразвука связываются с интенсификацией релаксационных процессов миграций групп атомов на межкластерных границах в результате воздействия тепловых флуктуаций и знакопеременных ультразвуковых напряжений.

Зависимость от температуры модулей упругости в объёмных металлических стёклах Zr_41,2Ti_13,8Cu_12,5Ni₁₀Be_22,5 (1) и Zr5_2,5Ti₅Cu_17,9Ni_14,6Al₁₀ (2)

Проведены акустические исследования высокочистых ГПУ–металлов (Cd – > 99,999%, Hf – зонноплавленый). В Cd для скорости звука обнаружено изотопический эффект первого порядка (линейная зависимость от разности масс изотопов), что свидетельствует о влиянии изотопного состава на изменение фононного спектра, и для затухания ультразвука – эффект второго порядка, связанный с неравномерным распределением изотопов и дополнительным релаксационным механизмом рассеяния фононов. В монокристалле Hf определены независимые адиабатические константы тензора упругости с₁₁ и с₃₃ и показано их увеличение при снижении плотности дислокаций. Установлено, что резонансные и релаксационные особенности в поведении поглощения ультразвука в гафнии обусловлены колебаниями дислокационных сегментов в «долине» потенциального рельефа Пайерлса и преодолением этого рельефа.

Универсальное соотношение приведённой скорости продольного ультразвука от приведённой температуры T*=T(Mⁱ_C/M²_C)^1/2 для изотопов Сd

Модуль прокачки «СКИФ-1» предназначен для контролируемого насыщения примесью йодистого метила / йода слоёв исследуемого сорбента по высоте макета адсорбера при заданной температуре, влажности и концентрации паров примеси в воздушном потоке

Исследования угольных сорбентов для воздушных фильтров АЭС

Создан модуль СКИФ-1 прокачки воздушного потока с примесью йода/йодистого метила через макет адсорбера с угольным сорбентом и разработана методика измерения поглощения этих примесей в условиях, моделирующих работу адсорберов типа АУ-1500, применяемых на АЭС Украины.

Исследованы адсорбционные, аэродинамические и механические свойства ряда угольных сорбентов производства Украины, Германии, Голландии, что позволило выбрать сорбенты с оптимальными эксплуатационными характеристиками. С учётом результатов этих исследований в ОП «Атомэнергомаш» НАЭК «Энергоатом» отремонтировано и изготовлено более 200 адсорберов.

– Лаборатория фундаментальной и прикладной сверхпроводимости, электронных свойств металлов.

Исследование электронных процессов и электронно-фазового состояния новых сплавов, металлов и сверхпроводников в зависимости от состава и структурного состояния.

– Лаборатория физики прочности и пластичности.

Исследования процессов формирования структур субмикронного и нанометрового масштаба в конструкционных материалах реакторостроения и криогенной техники методами комбинированных интенсивных пластических деформаций и исследование релаксационных процессов в деформированных и облучённых материалах и сварных соединениях при воздействии ультразвука и нестационарных магнитных полей; установление связи между структурными факторами и физико-механическими свойствами для определения режимов воздействий, обеспечивающих высокий уровень свойств для практического применения материалов; исследования адсорбции и десорбции различных газообразных веществ (включая газовые продукты деления ядерного топлива и водород) в функциональных и конструкционных материалах и соответствующих изменений их физико-механических свойств.

– Лаборатория физики кристаллов.

Изучение атомной структуры и взаимодействия дефектов решётки в твёрдых телах и квантовых объектов (атомных цепочек углерода и графена) методами высокоразрешающей низкотемпературной полевой ионной микроскопии и математического моделирования; ультразвуковые исследования температурной зависимости линейных акустических характеристик (скорости и поглощения ультразвука) металлов и сплавов.