Российские физики из МГУ, Института физики прочности и материаловедения (Томск) и Сколтеха совместно с зарубежными коллегами из Израиля изучили влияние параметров холодного спекания биметаллического нанопорошка на структуру, плотность и топологию Fe-Cu-нанокомпозитов. Эти биметаллические системы являются перспективной основой для создания композиционных материалов, в которых прочность, износостойкость и устойчивость к коррозии сочетаются с высокой тепло- и электропроводностью. Такие материалы могут использоваться в высокотехнологичной промышленности: от высоковольтных скользящих контактов до спинтроники. Результаты работы опубликованы в журнале Materials.

Для получения материалов с необходимыми физико-химическими свойствами нередко используют многокомпонентные системы, каждая компонента которых обладает своим набором характеристик. Проблема заключается в том, что во многих случаях создать стабильную многокомпонентную систему традиционными способами невозможно. Именно так обстоят дела с биметаллическими композитными материалами из несмешивающихся пар металлов и металлов с ограниченной взаимной растворимостью. Речь идет об очень перспективном классе соединений: например, биметаллические Fe-Cu-системы служат основой для композитов, сочетающих высокие прочностные характеристики с износостойкостью и хорошей тепло- и электропроводностью. Физические свойства таких материалов сильно зависят от их наноструктуры, которая в свою очередь определяется условиями получения этого нанокомпозита. Поэтому важной задачей становится предсказание свойств Fe-Cu-нанокомпозита на основе данных о его наноструктуре и параметров его получения. Такую задачу помогает решить компьютерное моделирование.

«Исследования проводили в рамках проекта профессора Лернера Марата Израильевича из Института физики прочности и материаловедения СО РАН, где получают образцы новых материалов, включая биметаллические Fe-Cu-нанокомпозиты, а затем исследуют их структуру и свойства, – говорит Дмитрий Ивонин, аспирант кафедры математического моделирования и информатики физического факультета МГУ. – Биметаллические Fe-Cu-системы позволят создавать материалы и покрытия с улучшенными трибологическими свойствами, износостойкие материалы с высокой тепло- и электропроводностью. Они также перспективны в качестве основы для биодеградируемых имплантов с антимикробным эффектом — в Томске сейчас ведутся соответствующие исследования». 

Одним из способов получения наноструктурированных биметаллических композитных материалов на основе Fe-Cu является консолидация нанопорошка Fe-Cu-наночастиц в условиях высокого давления и температуры значительно ниже температуры плавления, – так называемое холодное спекание. Основные параметры, характеризующие продукт холодного спекания, – это относительная плотность и пористость. Ключевой является зависимость этих параметров от давления консолидации. 

С помощью суперкомпьютера МГУ «Ломоносов-2» ученые провели полноатомное молекулярно-динамическое моделирование процесса получения нанокомпозитов из биметаллических наночастиц железа и меди для выявления зависимости атомной структуры, топологии и плотности Fe-Cu-нанокомпозитов от давления консолидации и компонентного состава исходного нанопорошка.

Один из подходов к описанию и анализу многокомпонентных и многофазных систем со сложной структурой основан на изучении их топологических характеристик – например, с использованием топологических инвариантов, которыми являются функционалы Минковского. Такой подход удобен для анализа сред со сложной внутренней структурой: почв, горных пород, пен, керамики и других пористых сред. Его применение в материаловедении открывает новые возможности для оценки связей между структурой и свойствами материалов и покрытий. 

С этой целью в лаборатории математического моделирования сложных естественных и инженерных систем МГУ имени М.В. Ломоносова для модельных образцов Fe-Cu-нанокомпозитов выполнили оценку четырех функционалов Минковского: удельных объема и площади, интегральной средней кривизны поверхности, характеристики Эйлера – Пуанкаре. Функционалы вычислили для пространственного распределения как химических элементов, так и типов их кристаллических решеток. В числе прочего удалось установить их зависимость от различных условий холодного спекания: давления консолидации и состава исходного нанопорошка. 

«На основе значений функционалов Минковского можно предсказать некоторые физические свойства материала, – продолжает Дмитрий. – Поэтому полученные в исследовании оценки функционалов для Fe-Cu-нанокомпозитов и их зависимость от параметров холодного спекания имеют большое значение для предсказания свойств и формализации связи „структура – свойство“ этого класса материалов».