Группа ученых НИТУ «МИСиС» и Университета Тохоку (Япония) под научным руководством профессора Дмитрия Лузгина приступает к разработке уникальных гибридных металлических стекол для авиации, космоса и микромеханики.

Металлические стекла — это металлы/сплавы без традиционной кристаллической структуры, по сути, застывшая жидкость, однородный аморфный материал, как в классических оконных стеклах. Они получены в 40-х годах 20 века, однако бум исследований начался в конце 90-х прошлого века и начале нулевых, когда были получены массивные отливки, названные объемными металлическими стеклами, а интерес к ним связан с целым спектром необычных и выдающихся свойств данного материала.

«Металлические стекла (метстекла) обладают в среднем в 2 раза большими прочностью по сравнению с кристаллическими сплавами близкого химического состава (параметры зависят от конкретных сплавов) и упругостью, более высокой коррозионной стойкостью (в том числе по отношению к кислотам, морской воде), повышенными твердостью и износостойкостью. Это обуславливается тем, что в металлических стеклах нет зернистой кристаллической структуры и так называемых границ зерен, из которых состоят типичные кристаллические материалы, в частности, металлы», — говорит профессор Лузгин.

На сегодня используются следующие способы получения металлических стекол: осаждение газообразного металла (вакуумное напыление, магнетронное распыление, химические реакции в газовой фазе), затвердевание из жидкого состояния (этот метод наиболее удобен для получения больших объемов материала, в том числе объемных металлических стекол), нарушение кристаллической структуры твердого металла (облучение частицами, воздействие ударной волной, ионная имплантация), электролитическое осаждение из растворов.

Что препятствует их массовому распространению?

«Дело в том, что известные на сегодня метстекла обладают низкой пластичностью, особенно в виде макроскопических изделий. Не секрет, что даже обыкновенное оконное стекло можно деформировать, например, гнуть, до определенного предела. Происходящая деформация, не вызывающая разрушения стекла и позволяющая ему вернуться в исходную форму после прекращения внешнего воздействия, называется упругой деформацией. По достижении же определенного предела материал больше не может деформироваться упруго, и начинается пластическая деформация. В обыкновенном стекле такая деформация моментально приводит к его разрушению. Кристаллический металл (или сплав нескольких металлов), наоборот, может легко гнуться, деформироваться, абсорбируя энергию внешнего воздействия. Металлические стекла занимают промежуточное положение между кристаллическим металлом (сплавом), который очень вязкий и может легко деформироваться, и оконным стеклом, которое не может деформироваться пластически», — объясняет профессор Лузгин.

Задача, которая стоит перед объединенной исследовательской группой — это повысить пластичность и вязкость разрушения объемных металлических стекол, сделав их более устойчивыми к разрушению при деформации.

«Наши предыдущие исследования показали, что определенных результатов можно достичь совершенствованием состава самого стекла. Однако недавно мы обнаружили, что гораздо удобнее произвести новый класс материалов, так называемые материалы-гибриды. Это двухфазные соединения типа металлическое стекло-металлический кристалл, металлическое стекло-полимер, металлическое стекло-квазикристалл. В этом случае материал сочетает свойства и металлического стекла с его прочностью, твердостью и износостойкостью, и пластичность металлического кристалла или полимера. Если мы комбинируем металлическое стекло и полимер, то получаем дополнительно такие свойства, как меньший вес материала и, соответственно, его большую удельную прочность», — говорит Дмитрий Лузгин.

Металлические стекла — перспективный материал для аэрокосмической отрасли, автомобилестроения, микромеханики (в том числе для часов, смартфонов, микромоторов и других устройств, где важна высокая износостойкость и высокое качество поверхности), уже сегодня из метстекол делают спортивные товары, в частности — клюшки для гольфа, ракетки и т. д. В силу своей высокой коррозионной стойкости металлические стекла из титана проходят испытания в качестве имплантатов в медицине, а также для изготовления хирургического инструмента.