Институт физики твёрдого тела, материаловедения и технологий (ИФТТМТ) входит в состав ННЦ ХФТИ. Институт представляет собой многопрофильный научный материаловедческий центр, который был создан в 1993 году на базе отделения физического материаловедения ХФТИ.

В приоритетные задачи института входит создание новых материалов и технологий применительно к нуждам ядерной, тепловой, солнечной и водородной энергетики, космической, авиационной и машиностроительной промышленности и медицины. Среди них:

– материалы для существующих и перспективных ядерных и термоядерных реакторов (в т.ч. наноструктурные, высокоэнтропийные и др.);

– толерантное по отношению к авариям ядерное топливо (ATFC);

– имитационные исследования радиационного поведения используемых и перспективных материалов для активных зон АЭС, прогнозирование ресурса работы;

– физическое материаловедение чистых и сверхчистых металлов, разработка технологий их получения, анализа и применения;

– создание инновационных процессов, технологий и оборудования для повышения эксплуатационных характеристик материалов путём их поверхностного модифицирования на базе ионно-плазменных, плазмохимических, активированных диффузионных процессов с использованием СВС;

– создание новых материалов и технологий получения углеродных, углерод-углеродных материалов для различных отраслей;

– создание радиационно-стойких керамических материалов для компактирования, хранения и захоронения радиоактивных отходов;

– создание на базе плазмохимических процессов способов прямого восстановления металлов из руд и отходов металлургической промышленности;

– разработка и изготовление инструментов и материалов для медицины (имплантаты, бактерицидные покрытия и обработки, растворимые стенты и имплантаты, обеззараживающие перевязочные материалы и т.п.);

– развитие существующих и создание инновационных способов, методик и оборудования для контроля свойств и характеристик материалов и мониторинга окружающей среды.

Развиты и созданы современные представления о физической природе явлений радиационной повреждаемости, пути создания радиационно-стойких материалов, отвечающих наивысшим требованиям времени (безопасность, экономичность, конкурентоспособность, экологичность). Проведены исследования на атомарном уровне с использованием соответствующей приборной базы, применением современных методов, теорий и моделирования радиационных повреждений, а также с использованием достижений в традиционной физике металлов, в том числе прогресса в исследовании и создании материалов на базе наноструктур.

Развиты и разработаны новые представления о физических механизмах структурно-фазовых превращениях в многокомпонентных материалах, имеющих ГЦК, ОЦК и ГПУ кристаллические решётки. Особенности этих механизмов построены с учётом взаимодействия первичных радиационных дефектов с материалами, процессов формирования и эволюции компонентов дефектной структуры и распада твёрдого раствора под облучением и эволюции когерентных и некогерентных границ выделений других фаз в процессе облучения.

В данный момент особое внимание уделяется разработке и исследованию нового класса материалов – дисперсно-упрочнённых оксидами сталей, перспективных с точки зрения высоких эксплуатационных характеристик и радиационной стойкости. Реализована возможность облучения и исследования распухания ферритно-мартенситных сталей, облучённых до сверхвысоких доз (500 сна). Впервые показано, что распухание этих сталей после продолжительного инкубационного периода может достигать десятков процентов.

Установлены принципиальные особенности и микроструктурные механизмы радиационного повреждения широкого спектра коммерческих и перспективных аустенитных и ферритных сталей, установлена связь этих механизмов с процессами деградации материалов по действием облучения.

Впервые установлено влияние мощности стоков на распухание дисперсно-упрочнённых оксидами (ДУО) аустенитных сталей при облучении тяжёлыми ионами. Добавка ZrO₂ к нанооксиду Y₂O₃ при изготовлении ДУО–стали приводит к существенному уменьшению размера зерна и выделений вторичных оксидов, а также увеличивает равномерность распределения оксидов по образцу. Уменьшение размера зерна и выделений вторичных оксидов приводит к снижению распухания в более чем 5 раз. Подавление распухания обусловлено ростом рекомбинации точечных радиационных дефектов на стоках, которыми являются границы раздела «нанооксиды-матрица» и границы зёрен.

Впервые получены результаты по определению параметров распухания в конструкционных материалах при сверхвысоких уровнях (концентрациях) газов-трансмутантов – гелия и водорода. Установлено, что поведение радиационного распухания феррито-мартенситных сталей зависит от концентрации гелия и водорода, которые по-разному влияют на кинетику и величину распухания на разных стадиях (в инкубационном периоде и на стационарной стадии). В инкубационном периоде гелий увеличивает распухание за счёт более раннего зарождения пор. На стационарной стадии гелий снижает распухание, потому что при высокой концентрации пор существенно снижается их размер. Водород также ускоряет начало распухания, однако оказывает меньшее влияние на зарождение пор, это может привести даже к увеличению распухания на стационарной стадии за счёт умеренного роста концентрации пор.

Впервые установлена корреляция между развивающейся при облучении структурой и уровнем накопления изотопов водорода. Показано, что для нейтрализации вредоносного влияния водорода и повышения стойкости материалов к водородной деградации в терморадиационных полях ключевое значение приобретает концепция использования сильных «полезных» водородных ловушек, способных надёжно удерживать водород на протяжении всего срока службы ядерного объекта во всём рабочем диапазоне температур.

Созданы тонкоплёночные (V, Ti, Mg) N_x–H₂–структуры, способные абсорбировать до 7 мас.% водорода при давлении 0,3 МПа за 100 с. Такие гравиметрические и кинетические характеристики соответствуют требованиям DOE при использовании твердотельных накопителей в водородной энергетике.

Впервые в мировой практике на металле главного циркуляционного трубопровода (ГЦТ) реакторов ВВЭР–1000 после 32 лет эксплуатации с использованием современных прямых методов исследована эволюция структурно-фазовых превращений в металле. Обнаружены признаки старения металла после долгосрочной эксплуатации: изменения в структуре как по размерам средней величины зерна, так и состава зернистого и пластинчатого перлита. Обнаружено уменьшение среднего размера выделения карбидов и их расположения на границах зёрен. Результаты контроля механических свойств и ударной вязкости (без нарушения целостности ГЦТ) вместе со структурными исследованиями дали возможность продолжить срок эксплуатации ГЦТ энергоблока №1 Южно-Украинской АЭС до 2031 года. Также предложено модернизировать действующие процедуры зонально-периодического контроля теплообменного оборудования энергоблока ВВЭР–1000 за счёт усовершенствования методов температурно-зависимого внутреннего трения и магнитной памяти металлов.

Разработана технология создания из сплавов на основе циркония изделий с квазиизотропной упрочнённой мелкозернистой структурой при помощи высокоскоростной термообработки. В изготовленных внутриканальных трубах и стержнях после облучения до 8 × 10²⁶ н/м² радиационного роста не наблюдалось, а ползучесть существенно уменьшалась.

Выработаны новые представления про структурные изменения в твёрдых телах при конденсации частиц под действием излучения, которые существенно расширяют возможности радиационной, ионно-пучковой и вакуумно-дуговой технологий для создания принципиально новых материалов, повышения износостойкости и коррозионной прочности инструментов и изделий.

На основании изучения процессов взаимодействия электронов и фотонов с полимерами, органическими веществами и биологическими образцами совместно с Институтом физики высоких энергий и ядерной физики созданы новые технологии радиационной стерилизации медицинского оборудования; разрабатываются новые электрофизические технологии и оборудование в области защиты окружающей среды и сельскохозяйственного производства.

Разработан ряд экологически чистых низкотемпературных технологий нанесения покрытий, которые внедрены в производство, в том числе товаров народного потребления (упрочнение режущего инструмента и деталей машин, антикоррозионные и защитно-декоративные покрытия, толстослойные самонесущие изделия, высокотемпературные защитные покрытия и т.д.). Для реализации этих технологий сконструированы и изготовлены специальные установки «БУЛАТ», «АИР», «ЯНТАРЬ», «ПОТОК», «БАЗАЛЬТ» и др.

Разработаны комплексные физические методики изготовления сверхчистых металлов, которые основаны на переплавке электронным пучком, дистилляции в вакууме, зонной рекристаллизации, электропереносе, исследованы физические свойства упомянутых материалов.

Созданы физические основы решения проблемы хрупкости бериллия. Получен сверхпластичный металл, изготовлена сверхтонкая вакуумноплотная фольга из бериллия, длинномерные гиперпроводники из бериллия с рекордно высокой электропроводностью при температуре 77 К, малогабаритные трансформаторы на их основе.

Методом горячей прокатки в вакууме созданы биметаллы и слоистые композиты, которые состоят из слоёв тугоплавких, цветных, редкоземельных и других металлов и сплавов. Высокая прочность на разрыв по границе соединения слоёв биметаллов и слоистых композитов даёт возможность использовать различные процессы производства (например, термообработку, механическую обработку, ковку, прессование) для получения профилированных изделий.

Разработаны газофазные методы и технологии получения высококачественных углеродных материалов для производства изделий космической техники, ТВЭЛов и поглощающих элементов ядерных реакторов, высокотемпературных нагревателей (до 3000°С), тепловых экранов для плавки и синтеза других высокотемпературных материалов; тиглей и литейного оборудования для плавления чёрных, цветных и драгоценных металлов; пресс-форм и штампов для высокотемпературного прессования металлов, керамики и алмазного инструмента; электродов, корзин для термических, гальванических, электролизных и других производств; теплообменной арматуры для работы в агрессивных жидких и газообразных средах; элементов конструкций ядерных реакторов и термоядерных установок; тормозных дисков и накладок автомобилей; щёток токосъёмников для городского транспорта.

Созданы высокоэффективные барьерные покрытия на циркониевых сплавах, предотвращающие контакт теплоносителя с циркониевой оболочкой и как следствие – развитие паро-циркониевой реакции с выделением водорода с ростом температуры в реакторе при потере теплоносителя, как в рабочих условиях, так и в аварийных ситуациях. Проведённые испытания макетов с покрытиями ТВЭЛов показали высокую радиационную, коррозионную и кавитационную стойкость защитных слоёв, повышение надёжности ТВЭЛов в рабочих условиях, а при аварийной ситуации покрытия не разрушаются при температуре 1100°С в течение не менее 3600 с, что позволяет оперативному персоналу провести противоаварийные мероприятия.

На основе разработок по алмазоподобным покрытиям созданы технология и оборудование, налажено поточное производство по нанесению одно- и многослойных алмазоподобных покрытий с твёрдостью до 40 ГПа на кольцевые элементы из карбида кремния для сухих газовых уплотнений (СГУ) валов компрессоров газотранспортных систем и химической промышленности. Разработка успешно внедрена в производство.

В рамках совместных исследований с Аргоннской национальной лаборатории (США) разработан процесс изготовления фосфатной керамики состава KMgPO₄ · 6H₂O для иммобилизации радиоактивных отходов. Проведён комплекс испытаний полученных материалов на прочность, коррозионную и радиационную стойкость и получены положительные результаты.

Разработан лабораторный процесс фторирования на образцах-имитаторах отходов предприятий ГП СхідГОК и ПО ПХЗ. Показано, что в процессе фторирования удаляются в виде газообразных фторидов не менее 90% кремния и вольфрама, за счёт чего уменьшается на 60 – 65% общее количество твёрдых отходов. При газофторидной переработке отходов этих предприятий за счёт выделения урана радиоактивность отходов может быть существенно снижена.

Разработана ядерно-физическая методика с использованием широкополосного фильтра рентгеновского излучения для неразрушающего определения Hf с низкой концентрацией в изделиях из циркониевых сплавов на выпущенном в атмосферу пучке протонов.

Проведено измерение содержания и определена однородность распределения Hf в слитках сплава Zr1%Nb, полученных электронно-лучевой плавкой с электромагнитным перемешиванием, без электромагнитного перемешивания и с центробежным литьём. Установлено, что при первом способе плавки слиток имеет равномерное распределение Hf с концентрацией меньшей чем 0,05% (нормативных документ).

Достижение целей обеспечивается через серию фундаментальных и прикладных исследований по ряду государственных программ НАН Украины:

Атомная наука и техника, ведомственная тематика (АНТ).

Ведомственный заказ НАН Украины на проведение научных исследований по атомной науке и технике Национального научного центра "Харьковский физико-технический институт".

Ядерные и радиационные технологии для энергетического сектора и общественных потребностей.

Целевая комплексная программа научных исследований НАН Украины.

Программа «РЕСУРС».

Проблемы ресурса и безопасности эксплуатации конструкций, сооружений и машин.

Фундаментальные проблемы наноструктурных систем, наноматериалов, нанотехнологий.

Целевая комплексная программа научных исследований НАН Украины.

Нанотехнологии и наноматериалы.

Государственная целевая научно-техническая программа.

Конкурсная тематика НАН Украины.

Инновационные проекты.

Научно-техническое сопровождение развития ядерной энергетики и применения радиационных технологий в отраслях экономики.

Целевая комплексная программа научных исследований НАН Украины.

Гранты для молодых учёных и коллективов учёных.

Совместные проекты с зарубежными партнёрами.

В институте работают: 1 академик и 2 член-корреспондента НАН Украины, 30 докторов наук, более 80 кандидатов наук, более 15% от общей численности сотрудников института составляют молодые сотрудники (до 35 лет).

В состав института входят следующие подразделения:

– Чистые металлы, металлофизика и технологии новых материалов.

К основным направлениям работы относятся создание высокочистых металлов и конструкционных материалов, в том числе на основе циркония, высокоэнтропийных сплавов, а также реакторных сталей и сплавов, упрочнённых наноразмерными оксидами, высокоэнергетичных магнитов (на основе сплавов железа и кобальта); исследования материалов с особыми электрофизическими свойствами и механизмов очистки бериллия; разработка технологий и устройств глубокого рафинирования металлов и их изотопов, устройств на основе полупроводниковых сенсоров (CdTe, CdZnTe и CVD алмазных плёнок) гамма-излучения.

– Ионно-плазменная обработка материалов.

Основным направлением работы является антикоррозионная и антиэрозионная защита конструкционных материалов, работающих при высоких температурных нагрузках (до 2000°С); осаждение антифрикционных, защитных, декоративных, бактерицидных и просветляющих покрытий; формирование изделий путём осаждения материалов из плазменной или газовой фазы, а также создание нового класса материалов в виде плёнок.

– Физика радиационных явлений и радиационного материаловедения.

Основное направление работы – теоретическое и практическое исследование взаимодействия материалов с потоками нейтронов и заряженных частиц, разработка принципов создания новых материалов для реакторостроения.

– Физика твёрдого тела и конденсированного состояния вещества.

Основное направление работы – экспериментальные и теоретические исследования свойств и структуры конструкционных и функциональных материалов в условиях воздействия температурно-силовых, радиационных, магнитных и электрических полей с целью их использования при разработке новых материалов и технологий в атомной энергетике и иных областях техники.

– Углерод-графитовые материалы.

Разработка углеродных композиционных материалов для перспективных и существующих ядерных установок и методов создания углеродных материалов с керамической матрицей; разработка материалов и критических элементов для ракетно-космической техники, фрикционных и антифрикционных углеродных материалов, а также биосовместимых углеродных материалов, имплантатов и конструкций на их основе для нужд медицины; исследования в области разработки новых углеродных сорбентов, элементов фильтров, аккумуляторов.

– Интенсивные вакуумно-плазменные технологии.

В задачи отдела входит разработка технологических процессов создания упрочняющих защитных покрытий для повышения срока эксплуатации элементов оборудования ТЭС, АЭС и космической техники и машиностроения, а также увеличение эффективности методов нанесения покрытий и модифицирования поверхности посредством применения комбинированных технологических процессов и расширения области значений параметров, обеспечивающих реализацию процесса.

– Газофазные и плазмохимические процессы.

Исследование процессов газофазной кристаллизации металлов, сплавов и соединений на их основе термическим и плазмохимическим восстановлением металлосодержащих соединений; получение коррозионностойких, износостойких и жаростойких покрытий для машиностроения, химической промышленности, ракетостроения, электронной техники, медицины; изготовления изделий в виде тиглей, трубопроводов, сосудов высокого давления, нагревателей, оснастки для высокотемпературных вакуумных печей.

– Газостатические и плазменные технологии.

Основным направлением работы является разработка методов компактирования и иммобилизации радиоактивных отходов для временного хранения и окончательного захоронения, а также материаловедческие исследования по изготовлению высокопрочной и радиационно-стойкой керамики функционального назначения.

– Аналитические исследования, экология и радиационные технологии.

Отдел обеспечивает аналитическое сопровождение и проведение материаловедческих, экологических, медико-биофизических исследований на основе экспериментального изучения взаимодействия пучков ионов, рентгеновского и гамма-излучений с веществом и разработку нового оборудования.

В состав института входит также «Центр коллективного пользования аналитическим оборудованием» (директор центра - член-корр. НАН Украины В.Н. Воеводин)