Інститут фізики твердого тіла, матеріалознавства і технологій (ІФТТМТ) входить до складу ННЦ ХФТІ. Інститут являє собою багатопрофільний науковий матеріалознавчий центр, створений у 1993 році на базі відділення фізичного матеріалознавства ХФТІ.

До пріоритетних завдань інституту входить створення нових матеріалів і технологій для потреб ядерної, теплової, сонячної та водневої енергетики, космічної, авіаційної i машинобудівної промисловості та медицини. Серед них:

– матеріали для існуючих та перспективних ядерних і термоядерних реакторів (в т.ч. наноструктурні, високоентропійні та ін.);

– толерантне по відношенню до аварій ядерне паливо (ATFC);

– імітаційні дослідження радіаційної поведінки використовуваних і перспективних матеріалів для активних зон АЭС, прогнозування ресурсу роботи;

– фізичне матеріалознавство чистих і надчистих металів, розробка технологій їх одержання, аналізу та застосування;

– створення інноваційних процесів, технологій та устаткування для підвищення експлуатаційних характеристик матеріалів шляхом їх поверхневого модифікування на базі іонно-плазмових, плазмохімічних, активованих дифузійних процесів з використанням СВС;

– створення нових матеріалів і технологій одержання вуглецевих, вуглець-вуглецевих матеріалів для різних галузей;

– створення радіаційно-стійких керамічних матеріалів для компактування, зберігання та захоронення радіоактивних відходів;

– створення на базі плазмохімічних процесів способів прямого відновлення металів з руд та відходів металургійної промисловості;

– розробка і виготовлення інструментів та матеріалів для медицини (імплантати, бактерицидні покриття та обробки, розчинні стенти та імплантати, знезаражувальні перев'язувальні матеріали тощо);

– розвиток існуючих і створення інноваційних способів, методик та устаткування для контролю властивостей і характеристик матеріалів, а також моніторингу навколишнього середовища.

Розвинено та створено сучасні уявлення про фізичну природу явищ радіаційної пошкоджуваності, шляхи створення радіаційно-стійких матеріалів, що відповідають найвищим вимогам часу (безпека, економічність, конкурентоспроможність, екологічність). Проведено дослідження на атомарному рівні з використанням відповідної приладової бази, застосуванням сучасних методів, теорій та моделювання радіаційних ушкоджень, а також з використанням досягнень у традиційній фізиці металів, у тому числі прогресу в дослідженні та створенні матеріалів на базі наноструктур.

Розвинено та розроблено нові уявлення про фізичні механізми структурно-фазових перетворень у багатокомпонентних матеріалах, що мають ГЦК, ОЦГ і ГЩУ кристалічні решітки. Особливості цих механізмів побудовано з урахуванням взаємодії первинних радіаційних дефектів із матеріалами, процесів формування та еволюції компонентів дефектної структури та розпаду твердого розчину під дією опромінення та еволюції когерентних і некогерентних кордонів виділень інших фаз в процесі опромінення.

На даний момент, особливу увагу приділено розробці та дослідженню нового класу матеріалів – дисперсно-зміцнених оксидами сталей, перспективних з точки зору високих експлуатаційних характеристик і радіаційної стійкості. Реалізовано можливість опромінення та дослідження розпухання феритно-мартенситних сталей, опромінених до надвисоких доз (500 зна). Вперше показано, що розпухання цих сталей після тривалого інкубаційного періоду може досягати десятків відсотків.

Встановлено принципові особливості та мікроструктурні механізми радіаційного пошкодження широкого спектру комерційних і перспективних аустенітних і феритних сталей, встановлено зв'язок цих механізмів з процесами деградації матеріалів під дією опромінення.

Вперше встановлено вплив потужності стоків на розпухання дисперсно-зміцнених оксидами (ДЗО) аустенітних сталей при опроміненні важкими іонами. Додавання ZrO₂ до нанооксидів Y₂O₃ при виготовленні ДЗО–сталі призводить до суттєвого зменшення розміру зерна та виділень вторинних оксидів, а також збільшує рівномірність розподілу оксидів по зразку. Зменшення розміру зерна та виділень вторинних оксидів призводить до зменшення розпухання у більш ніж 5 разів. Пргнічення разпухания зумовлене зростанням рекомбінації точкових радіаційних дефектів на стоках, якими є межі розділу «нанооксиди-матриця» та границі зерен.

Вперше було отримано результати з визначення параметрів розпухання у конструкційних матеріалах за надвисоких рівней (концентрацій) газів-трансмутантів – гелію та водню. Встановлено, що поведінка радіаційного розпухання ферито-мартенситних сталей залежить від концентрації гелію та водню, які по-різному впливають на кінетику та величину розпухання на різних стадіях (в інкубаційному періоді та на стаціонарній стадії). В інкубаційному періоді, гелій збільшує розпухання за рахунок більш раннього зародження пір. На стаціонарній стадії, гелій знижує розпухання, оскільки за високої концентрації пір істотно знижується їх розмір. Водень також прискорює початок розпухання, проте чинить менший вплив на зародження пір. Це може призвести навіть до збільшення разбухання на стаціонарній стадії за рахунок помірного зростання концентрації пір.

Вперше встановлено ​​кореляцію між структурою, що розвивається при опроміненні, а також рівнем накопичення ізотопів водню. Показано, що для нейтралізації шкідливого впливу водню та підвищення стійкості матеріалів до водневої деградації в терморадіаційних полях, ключового значення набуває концепція використання сильних «корисних» водневих пасток, здатних надійно утримувати водень протягом усього терміну служби ядерного об'єкта в усьому робочому діапазоні температур.

Створено тонкоплівкові (V, Ti, Mg) N_x–H₂–структури, що здатні абсорбувати до 7 мас.% водню за тиску 0,3 МПа за 100 с. Такі гравіметричні та кінетичні характеристики відповідають вимогам DOE при використанні твердотільних накопичувачів у водневій енергетиці.

Вперше у світовій практиці, на металі головного циркуляційного трубопроводу (ГЦТ) реакторів ВВЕР–1000 після 32 років експлуатації з використанням сучасних прямих методів, досліджено еволюцію структурно-фазових перетворень у металі. Виявлено ознаки старіння металу після довгострокової експлуатації: зміни в структурі як за розмірами середньої величини зерна, так і складу зернистого та пластинчастого перліту. Виявлено зменшення середнього розміру виділення карбідів та їх розташування на границях зерен. Результати контролю механічних властивостей та ударної в'язкості (без порушення цілісності ГЦТ) разом із структурними дослідженнями дали можливість продовжити термін експлуатації ГЦТ енергоблоку №1 Південно-Української АЕС до 2031 року. Також запропоновано модернізувати діючі процедури зонально-періодичного контролю теплообмінного обладнання енергоблоку ВВЕР–1000 за рахунок удосконалення методів температурно-залежного внутрішнього тертя та магнітної пам'яті металів.

Розроблено технологію створення із сплавів на основі цирконію виробів із квазіізотропною зміцненою дрібнозернистою структурою за допомогою високошвидкісної термообробки. У виготовлених внутрішньоканальних трубах і стержнях, після опромінення до 8 × 10²⁶ н/м² радіаційного зростання не спостерігалося, а повзучість істотно зменшувалася.

Створено нові уявлення про структурні зміни у твердих тілах при конденсації частинок під дією випромінювання, які суттєво розширюють можливості радіаційної, іонно-пучкової та вакуумно-дуговогї технологій для створення принципово нових матеріалів, підвищення зносостійкості та корозійної міцності інструментів і виробів.

На підставі вивчення процесів взаємодії електронів і фотонів з полімерами, органічними речовинами і біологічними зразками, спільно з Інститутом фізики високих енергій і ядерної фізики створено нові технології радіаційної стерилізації медичного обладнання; розробляються нові електрофізичні технології та обладнання в галузі захисту навколишнього середовища та сільськогосподарського виробництва.

Розроблено ряд екологічно чистих низькотемпературних технологій нанесення покриттів, які впроваджено у виробництво, в тому числі товарів народного споживання (зміцнення ріжучого інструменту та деталей машин, антикорозійні та захисно-декоративні покриття, товстошарові самонесучі вироби, високотемпературні захисні покриття тощо). Для реалізації цих технологій було сконструйовано та виготовлено спеціальні установки «БУЛАТ», «АІР», «БУРШТИН», «ПОТІК», «БАЗАЛЬТ» та ін.

Розроблено комплексні фізичні методики виготовлення надчистих металів, засновані на переплавленні електронним пучком, дистиляції у вакуумі, зонній рекристалізації, електропереносі, досліджено фізичні властивості згаданих матеріалів.

Створено фізичні основи вирішення проблеми крихкості берилію. Отримано надпластичний метал, виготовлено ​​надтонку вакуумноплотну фольгу з берилію, довгомірні гіперпровідники з берилію із рекордно високою електропровідністю за температури 77 К, малогабаритні трансформатори на їх основі.

За допомогою метода гарячої прокатки у вакуумі, створено біметали та шаруваті композити, які складаються з шарів тугоплавких, кольорових, рідкоземельних та інших металів і сплавів. Висока міцність на розрив по межі з'єднання шарів біметалів і шаруватих композитів дає можливість використовувати різні процеси виробництва (наприклад, термообробку, механічну обробку, ковку, пресування) для отримання профільованих виробів.

Розроблено газофазні методи і технології одержання високоякісних вуглецевих матеріалів для виробництва виробів космічної техніки, ТВЕЛів і поглинаючих елементів ядерних реакторів, високотемпературних нагрівачів (до 3000°С), теплових екранів для плавки і синтезу інших високотемпературних матеріалів; тиглів і ливарного обладнання для плавлення чорних, кольорових і дорогоцінних металів; прес-форм і штампів для високотемпературного пресування металів, кераміки та алмазного інструменту; електродів, кошиків для термічних, гальванічних, електролізних та інших виробництв; теплообмінної арматури для роботи в агресивних рідких та газоподібних середовищах; елементів конструкцій ядерних реакторів і термоядерних установок; гальмівних дисків і накладок автомобілів; щіток токозйомників для міського транспорту.

Створено високоефективні бар'єрні покриття на цирконієвих сплавах, що запобігають контакту теплоносія з цирконієвої оболонкою і, як наслідок, розвитку паро-цирконієвої реакції з виділенням водню з ростом температури у реакторі при втраті теплоносія, як у робочих умовах, так і в аварійних ситуаціях. Проведені випробування макетів з покриттями ТВЕЛів показали високу радіаційну, корозійну та кавітаційну стійкість захисних шарів, підвищення надійності ТВЕЛів у робочих умовах, а в аварійній ситуації, покриття не руйнуються при температурі 1100°С протягом щонайменш ніж 3600 с, що дозволяє оперативному персоналу провести протиаварійні заходи.

На основі розробок щодо алмазоподібних покриттів, створено технологію та устаткування, налагоджено потокове виробництво з нанесення одно- та багатошарових алмазоподібних покриттів із твердістю до 40 ГПа на кільцеві елементи з карбіду кремнію для сухих газових ущільнень (СГУ) валів компресорів газотранспортних систем і хімічної промисловості. Розробку успішно впроваджено у виробництво.

У рамках спільних досліджень з Аргонською національною лабораторією (США), розроблено процес виготовлення фосфатної кераміки складу KMgPO₄ · 6H₂O для іммобілізації радіоактивних відходів. Проведено комплекс випробувань для одержаних матеріалів на міцність, корозійну та радіаційну стійкість, а також отримано позитивні результати.

Розроблено лабораторний процес фторування на зразках-імітаторах відходів підприємств ДП СхідГОК і ПО ПХЗ. Показано, що в процесі фторування видаляються у вигляді газоподібних фторидів не менш ніж 90% кремнію і вольфраму, за рахунок чого зменшується на 60 – 65% загальна кількість твердих відходів. При газофторидній переробці відходів цих підприємств за рахунок виділення урану, радіоактивність відходів може бути істотно знижено.

Розроблено ядерно-фізичну методику з використанням широкосмугового фільтру рентгенівського випромінювання для неруйнівного визначення Hf з низькою концентрацією у виробах із цирконієвих сплавів на випущеному в атмосферу пучку протонів.

Проведено вимірювання вмісту та визначено однорідність розподілу Hf у злитках сплаву Zr1% Nb, одержаних за допомогою електронно-променевої плавки з електромагнітним перемішуванням, без електромагнітного перемішування, а також з відцентровим литтям. Встановлено, що при першому способі плавки злиток має рівномірний розподіл Hf з концентрацією меншою ніж 0,05% (нормативний документ).

Досягнення цілей забезпечується через серію фундаментальних і прикладних досліджень з ряду державних програм НАН України:

Атомна наука і техніка, відомча тематика (АНТ).

Відомче замовлення НАН України на проведення наукових досліджень з атомної науки і техніки Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут".

Ядерні та радіаційні технології для енергетичного сектора і громадських потреб.

Цільова комплексна програма наукових досліджень НАН України.

Програма «РЕСУРС».

Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин.

Фундаментальні проблеми наноструктурних систем, наноматеріалів, нанотехнологій.

Цільова комплексна програма наукових досліджень НАН України.

Нанотехнології і наноматеріали.

Державна цільова науково-технічна програма.

Конкурсна тематика НАН України.

Інноваційні проекти.

Науково-технічний супровід розвитку ядерної енергетики і застосування радіаційних технологій в галузях економіки.

Цільова комплексна програма наукових досліджень НАН України.

Гранти для молодих вчених і колективів вчених.

Спільні проекти із зарубіжними партнерами.

В інституті працюють: 1 академік і 2 члена-кореспондента НАН України, 30 докторів наук, понад 80 кандидатів наук, понад 15% від загальної чисельності співробітників інституту складають молоді співробітники (до 35 років).

До складу інституту входять такі підрозділи:

– Чисті метали, металофізика і технології нових матеріалів.

До основних напрямів роботи відносять створення високочистих металів і конструкційних матеріалів, у тому числі на основі цирконію, високоентропійних сплавів, а також реакторних сталей і сплавів, зміцнених нанорозмірними оксидами, високоенергетичних магнітів (на основі сплавів заліза і кобальту); дослідження матеріалів з особливими електрофізичними властивостями та механізмів очищення берилію; розробка технологій і пристроїв глибокого рафінування металів та їх ізотопів, пристроїв на основі напівпровідникових сенсорів (CdTe, CdZnTe і CVD алмазних плівок) гамма-випромінювання.

– Іонно-плазмова обробка матеріалів.

Основним напрямом роботи є антикорозійний та антиерозійний захист конструкційних матеріалів, які працюють за високих температурних навантажень (до 2000°С); осадження антифрикційних, захисних, декоративних, бактерицидних та просвітлюючих покриттів; формування виробів шляхом осадження матеріалів з плазмової або газової фази, а також створення нового класу матеріалів у вигляді плівок.

– Фізика радіаційних явищ і радіаційного матеріалознавства.

Основний напрям роботи - теоретичні та експериментальні дослідження взаємодії матеріалів із потоками нейтронів та заряджених частинок, розробка принципів створення нових матеріалів для реакторобудування.

– Фізика твердого тіла і конденсованого стану речовини.

Основний напрям роботи - експериментальні і теоретичні дослідження властивостей та структури конструкційних і функціональних матеріалів в умовах впливу температурно-силових, радіаційних, магнітних і електричних полів з метою їх використання при розробці нових матеріалів і технологій в атомній енергетиці та інших галузях техніки.

– Вуглець-графітові матеріали.

Розробка вуглецевих композиційних матеріалів для перспективних та існуючих ядерних установок і методів створення вуглецевих матеріалів з керамічною матрицею; розробка матеріалів і критичних елементів для ракетно-космічної техніки, фрикційних та антифрикційних вуглецевих матеріалів, а також біосумісних вуглецевих матеріалів, імплантів та конструкцій на їх основі для потреб медицини; дослідження в галузі розробки нових вуглецевих сорбентів, елементів фільтрів, акумуляторів.

– Інтенсивні вакуумно-плазмові технології.

До завдань відділу входить розробка технологічних процесів створення зміцнюючих захисних покриттів для підвищення терміну експлуатації елементів устаткування ТЕС, АЕС і космічної техніки та машинобудування, а також збільшення ефективності методів нанесення покриттів і модифікування поверхні за допомогою застосування комбінованих технологічних процесів і розширення області значень параметрів, що забезпечують реалізацію процесу.

– Газофазні та плазмохімічні процеси.

Дослідження процесів газофазної кристалізації металів, сплавів і з'єднань на їх основі термічним та плазмохімічним відновленням металовмісних сполук; одержання корозійностійких, зносостійких та жаростійких покриттів для машинобудування, хімічної промисловості, ракетобудування, електронної техніки, медицини; виготовлення виробів у вигляді тиглів, трубопроводів, сосудів високого тиску, нагрівачів, оснащення для високотемпературних вакуумних печей.

– Газостатичні та плазмові технології.

Основним напрямом роботи є розробка методів компактування та іммобілізації радіоактивних відходів для тимчасового зберігання і захоронення, а також матеріалознавчі дослідження з виготовлення високоміцної та радіаційно-стійкої кераміки функціонального призначення.

– Аналітичні дослідження, екологія та радіаційні технології.

Відділ забезпечує аналітичний супровід і проведення матеріалознавчих, екологічних, медико-біофізичних досліджень на основі експериментального вивчення взаємодії пучків іонів, рентгенівського та гамма-випромінювань з речовиною та розробку нового обладнання.

До складу інституту входить також «Центр колективного користування аналітичним обладнанням» (директор центру – член-кор. НАН України В.М. Воєводін)