№36 – Лабораторія композитних матеріалів атомно-водневої енергетики.

1) Історія, кілька слів

Лабораторію створено у 2022 році як новий інноваційний підрозділ Інституту прикладної фізики НАН України на основі оптимізації та реорганізації наукового потенціалу Навчально-наукового центру «Фізико-хімічне матеріалознавство» НАН України (постанова Президії НАН України від 09.06.2021 №198).

Мета створення – дослідження і виготовлення нових композиційних матеріалів з керованими експлуатаційними характеристиками для захисту військових, населення та об’єктів критичної інфраструктури в умовах як механічного, так і радіаційного ураження.

Нові матеріали можуть бути використані в якості:

• матеріалів ПЕЛів ядерних реакторів із збільшеним терміном використання;
• матеріалів атомно-водневих енергетичних систем на базі реакторів 4-го покоління, які забезпечать енергетичну незалежність України,
• матеріалів радіаційного захисту,
• бронеплит в системах захисту,
• матеріалів супутньої продукції в різних промислових цілях.

Наукові інтереси

Фундаментальні наукові дослідження (теоретичний блок) та прикладні наукові дослідження (експериментальний блок) в галузі фізико-хімічного матеріалознавства і сучасних проблем фізики конденсованого стану з акцентом на радіаційні явища.

Теоретичний блок:

• Механізми формування композиційних матеріалів і структур, що є перспективними для використання в технологіях та ядерній енергетиці. Дослідження дії радіації та зовнішніх полів на утворення і еволюцію дефектної структури (атомно-дифузійні аспекти).
• Фундаментальні основи розмірних ефектів в нанодисперсних багатокомпонентних матеріалах (поверхневі ефекти, розмірно-залежні діаграми нанофаз, розмірно-залежна реакційна дифузія в тонких плівках і мультішарах,розмірно-залежний гістерезис фазового перетворення, Монте-Карло і МД моделювання кінетики фазового перетворення).
• Механізми впливу фізичних полів та радіаційного випромінювання на системи, що включають біомолекули та біоклітини, з метою розробки методів їх ефективного використання або захисту від них (біологічний ефект).

Експериментальний блок:

• Експериментально-промислові методи отримання широкого спектру безкисневої кераміки високої міцності і пластичності, що є перспективною для виготовлення деталей атомних реакторів нового типу.
• Оптимальні режими синтезу модельних сплавів з керованим фазовим складом і параметри реакційного гарячого пресування для одержання нанокомпозиційних керамічних матеріалів на основі боридів чи оксидів.
• Дослідні зразки сполук з високими експлуатаційними характеристиками, необхідними для використання цих матеріалів в атомних реакторах.

Розробки, експертиза

Теоретичний блок:

• Визначено вплив дисперсності порошку та насичення вакансіями на радіаційну стійкість і фазові зміни α-Fe-Fe сферичних наночастинок Fe при опроміненні. Показано можливість радіаційно-індукованого поліморфного переходу, а також визначено зони радіаційної стабільності наночастинок Fe.
• Виявлено фундаментальний ефект у багатокомпонентних конденсованих наномасштабних системах, пов’язаний з хімічним виснаженням і фазовими діаграмами: криві розчинності на фазових діаграмах, на відміну від кривих розчинності масивних матеріалів, не відповідають умові термодинамічної рівноваги й показують лише початок і завершення фазового перетворення першого роду. У рамках статистично-термодинамічної моделі субрегулярного розчину розраховано і побудовано розмірно-залежні криві розчинності в частинках Cu-Ni для випадків радіусів 25нм і 80нм.
• Виявлені нові закономірності впливу розмірів на конкуренцію утворення, стабілізацію та зростання різних фаз при циклічних термічних відпалах. Показано, що разом з кінетичним гістерезисом в системах можливе існування петлі термодинамічного гістерезису, який не зникає при зменшенні швидкості циклування температури до нульових значень і залежить від розмірів, кінетичних обмежень на утворення нової фази.
• Визначено механізми масопереносу, що відбувається під час екзотермічної взаємодії між карбідом титану (ТіС) та карбідом бору (В4С) в процесі гарячого пресування при температурах 1600–1800оС і тисках 30 МПа та 8 ГПа.

Експериментальний блок:

• Синтезовано керамічні композиційні матеріали складу В4С–HfВ2 шляхом реакційного гарячого пресування шихти. Вивчено фазовий склад, структуру та механічні властивості отриманих композитів у широкому концентраційному інтервалі (В4С + (3,9 – 34,7 об.%) HfB2).
• Шляхом реакційного гарячого пресування легкоплавких шихт одержано нові жаростійкі керамічні матеріали складу TiB2 - Al2О3 та TiB2 - Al2О3 - В4С з високими фізико-механічними характеристиками.
• Виготовлено композити на основі чистої бактеріальної целюлози та вуглецевих нанотрубок і виявлено взаємодію недиспергованих агрегатів з тонкими шарами гель-сітки целюлози – утворення «коконів». Методом рентгеноструктурного аналізу виявлено, що введення вуглецевих нанотрубок в матрицю бактеріальної целюлози приводить до зменшення середніх розмірів кристалітів та ступеню кристалічності целюлози.

Дослідники, відповідальні за напрям

• Арам Сергійович Шірінян, доктор фіз-мат. наук, доцент, завідувач лабораторії, керівник і ключовий виконавець НДР, відповідальний за теоретичний блок фундаментальних основ радіаційного матеріалознавства (aramshirinyan@ukr.net).
• Олексій Юрійович Попов, доктор фіз-мат. наук, доцент, виконавець НДР, відповідальний за експериментальний блок синтезу композиційної кераміки (alexey.popov1861@gmail.com).
• Олена Ігорівна Ніжельська, кандидат біологічних наук, виконавець НДР, відповідальний за блок дослідження біологічних ефектів радіаційного випромінювання та водневої енергетики (aljona.nizhelska@gmail.com).

Обладнання

Теоретичний блок:

• Комп’ютерні станції з підтримкою технології паралельних розрахунків CUDA
• Сканери та принтери об'єднаних в локальну мережу.

Експеріментальний блок:

• Мікротвердомер ПМТ-3.
• Оптичні мікроскопи типу МІМ-8.
• Установка для гарячого пресування з резистивним нагрівом без захисної атмосфери;
• Установка ДРОН-3М для рентгенофазового аналізу,
• Інфрачервоний спектрометр (тип: ІКС-29 ), лазер (тип: ІАГ), мас-спектрометри.
• Мікроскоп М-200.

Контакти, адреса Лабораторія «композитних матеріалів атомно-водневої енергетики» Інституту прикладної фізики НАНУ, кімната 606, корпус 3, проспект Науки, 46, Інститут фізики, Київ, 03028, Україна