Специалисты Томского политехнического университета разрабатывают научные основы создания композиционных материалов, устойчивых к водородным и радиационным повреждениям. Композиты предполагается создавать на основе наноразмерных металлических многослойных систем цирконий/ниобий (Zr\Nb). Проект получил грантовую поддержку Российского научного фонда (РНФ).

Радиационное облучение и накопление водорода серьезно уменьшают ресурс работы конструкционных материалов водородной и ядерной энергетики. Для повышения физико-механических свойств материалов политехники предлагают наносить на них наноразмерные металлические слои циркония и ниобия (НМС Zr/Nb).

В течение трех «грантовых» лет ученые будут изучать, как влияет облучение протонами и ионами гелия на исследуемые образцы, как меняются свойства и структурно-фазовое состояние НМС Zr/Nb при накоплении водорода. Исследования будут востребованы в ядерной и космических отраслях.

«Предмет нашего исследования — многослойное покрытие с чередующимися слоями ниобия и циркония. Теоретические расчеты показывают, что граница раздела между этими слоями — достаточно специфическая структура. Образующиеся дефекты в ней аннигилируют, материал обладает свойством самовосстановления. Наша задача — подтвердить этот эффект экспериментально, с помощью позитронов. В ТПУ более 20 лет разрабатываются методы позитронной спектроскопии, а в отделении экспериментальной физики создана одна из лучших установок в России — гибридный цифровой комплекс позитронной спектроскопии», — рассказывает руководитель проекта, доцент отделения экспериментальной физики ТПУ Роман Лаптев.

Сначала ученые готовят образцы — на пластины кремния наносят несколько чередующихся слоев ниобия и циркония. Общая толщина покрытия — один микрон, толщина каждого слоя — от 20 до 100 нанометров. Затем образцы облучают на ускорителе и после этого исследуют на разных установках Томского политеха и не только. Эксперимент с помощью позитронных пучков проводят в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна), где трудится один из участников научного коллектива — PhD Кшиштоф Семек. При этом политехники уже обратились к специалистам исследовательского ядерного реактора ТПУ, чтобы создать пучки позитронов для экспериментов на своей базе.

Параллельно экспериментам научная группа ведет первопринципные расчеты структуры НМС Zr/Nb при накоплении водорода и гелия, а также рассчитывает параметры аннигиляции позитронов в этой структуре. Предполагается, что в итоге будут разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров нанесения наноразмерных металлических слоев Zr/Nb для создания водородо- и радиационностойких композиционных материалов.

Исследование проводится совместно с коллегами из ОИЯИ и Белорусского государственного университета.