«Лаборатория дизайна магниевых материалов»
Лаборатория создана конце 2021 года при содействии межрегионального научно-образовательного центра «Инженерия будущего» и имеет статус молодёжной. Её костяк составляют учёные в возрасте до 39 лет. Кроме того, к работе привлекаются студенты ТГУ, которые ещё во время обучения становятся полноправными сотрудниками лаборатории. Лаборатория работает в вузе второй год. Она была создана на базе уже имеющихся ресурсов и опыта – магниевой тематикой НИО-2 ТГУ занимается более 10 лет. Здесь создаются магниевые сплавы как технического назначения (которые могут использоваться в авиационной и автомобильной промышленности), так и медицинского. К работе привлекаются молодые перспективные учёные из числа студентов и аспирантов ТГУ.
– Магний является одним из самых лёгких металлов, а главное, его запасы в земной коре огромны. Этим он и привлекает к себе повышенное внимание, – поясняет Михаил Линдеров, руководитель лаборатории, старший научный сотрудник научно-исследовательского института прогрессивных технологий (НИИПТ) ТГУ. – Магниевые сплавы могут быть значительно легче даже алюминиевых, что для многих областей промышленности является критически важным. Здесь главное – улучшить его физико-механические свойства, а также свойства, связанные с пожаробезопасностью. Собственно, всем этим мы и занимаемся. Также в последнее время магниевые сплавы стали рассматривать в качестве кандидатов на временные имплантаты, так как они имеют не только хорошую биосовместимость с человеческим организмом, но и могут постепенно растворяться в нём, обрастая костной тканью, что позволяет исключить дополнительную травмирующую операцию по извлечению имплантата.
Лаборатория дизайна магниевых материалов состоит из отдельных научных групп, тесно связанных между собой. При этом каждая группа работает в своём направлении во главе с научными сотрудниками или аспирантами НИИПТ ТГУ.
Создают новые сплавы
Группа инженера НИИПТ ТГУ Сергея Засыпкина занимается литейными магниевыми сплавами совместно с Соликамским опытно-металлургическим заводом – одним из индустриальных партнёров Тольяттинского госуниверситета. По заказу вуза предприятие делает экспериментальные сплавы с особыми легирующими элементами (химические элементы, специально введённые в металл для получения требуемых свойств. – Прим. ред.). В 2022 году учёные получили сплав, который по усталостной долговечности в 1,6 раза превосходит используемый сегодня магниевый сплав марки МЛ10 (см. рис. 1). Он перспективен для изготовления нагруженных деталей, требующих высокой герметичности и стабильности размеров. Например, кронштейнов, крышек, корпусных изделий.
Проводят испытания
Учёные во главе с Михаилом Линдеровым проводят испытания образцов для проверки достигнутых свойств. Эти испытания позволяют не только понять поведение сплавов при разных нагрузках, но в конечном итоге найти подходящие способы их легирования и методы защиты поверхности для работы в различных условиях. Образцы проходят испытания на твёрдость, растяжение, усталость. Например, в процессе усталостных испытаний учёные определяют предел выносливости – чрезвычайно важный параметр для оценки долговечности работы материала. Также проводятся специальные испытания на рост трещин и определение вязкости разрушения (см. рис. 2). Подобное комплексное исследование свойств материала позволяет понять, обладает ли сплав теми характеристиками, которые от него ожидают.
Модифицируют поверхности
Несмотря на все свои достоинства – в первую очередь высокую удельную прочность – магний имеет и ряд недостатков. Один из них – низкая износостойкость по сравнению с другими сплавами. Поэтому изготовленные из него изделия требуют комплексной защиты от механического износа.
Этими вопросами занимается группа во главе с ведущим научным сотрудником НИИПТ ТГУ Антоном Полуниным. Используя технологию плазменно-электрического оксидирования, учёные модифицируют поверхности сплавов (см. рис. 3). В частности, они смогли на серийном магниевом сплаве МА14 получить защитный слой, который при использовании различных добавок повышает твёрдость металла на 30 %, адгезионную прочность – на 50 % и на 1–2 порядка – коррозионную стойкость.
Работают на медицину
Другой недостаток магниевых сплавов – низкую коррозионную стойкость – учёные лаборатории учатся превращать в достоинство. В медицине широко используются различные временные металлические конструкции (штифты, пластины, стенты и т. д.), которые вживляются в организм человека. После завершения лечения имплантаты подлежат извлечению. Однако если для их изготовления использовать сплавы на основе магния, то со временем они растворятся сами и извлекать их уже не потребуется. Кроме того, магний – один из немногих металлов, который при растворении не только не наносит вреда, но даже способствует заживлению.
Магниевыми сплавами медицинского назначения занимается группа во главе со старшим научным сотрудником НИИПТ ТГУ Евгением Мерсоном. В 2022 году учёные получили новый сплав системы Mg-Zn-Ca, который после экструзии (метод упрочнения заготовки, заключающийся в продавливании её через специальное формирующее отверстие. – Прим. ред.) показал в плане долговечности характеристики на уровне лучших мировых аналогов. И это очень важно: биорезорбируемый магниевый имплантат должен отработать положенный срок и не сломаться раньше времени.
В ТГУ уже изготовлены и прошли доклинические испытания опытные образцы некоторых медицинских изделий. К концу года на территории университета должен начаться серийный выпуск заготовок и самих биорезорбируемых имплантатов. Партнёром будущего производства выступает ООО "Медицинская торговая компания" (Санкт-Петербург).
Приближают создание аккумуляторов
Новой перспективной темой занимается группа под руководством младшего научного сотрудника НИИПТ ТГУ Ильи Соснина. Учёный работает над созданием аккумуляторного анода из наночастиц магния. В мире этому направлению уделяется особое внимание. Во-первых, по сравнению с литиевыми магниевые аккумуляторы могут быть значительно меньше в размерах, так как их теоретическая объёмная ёмкость почти в два раза выше. Во-вторых, число месторождений литиевых руд ограничено и в будущем может иссякнуть. Эксперименты учёных ТГУ показали, что использование наночастиц в составе анода позволяет в разы поднять удельную плотность энергии. Это важно для создания аккумуляторов повышенной ёмкости. Кроме того, в отличие от свинца или лития, магний не токсичен.
