Основные направления научных исследований
Интегральным результатом научно-исследовательских работ сотрудников, аспирантов и студентов кафедры МДТТ является разработка новых производственных технологий в области высокоэнергетических и специальных материалов, развитие и внедрение на промышленных предприятиях России системного подхода к проектированию, разработке, производству и эксплуатации высокотехнологичных изделий с применением современных информационных технологий поддержки жизненного цикла и новых производственных технологий, экспериментальное исследование свойств новых материалов в широком диапазоне условий эксплуатации.
Развитие абсолютного большинства современных технологий неразрывно связано с необходимостью создания новых материалов. Свойства материалов и эффективность их использования определяются химическим составом, температурой и давлением.
Изменение этих параметров может вызвать фазовые переходы и позволяет изменить свойства материалов для применения их в определенных целях.
Теоретическое описание этих явлений привлекает особое внимание ученых из различных областей знаний: физиков, химиков и материаловедов. С точки зрения фундаментальной науки, они относятся к числу наиболее важных и принципиальных вопросов квантовой и статистической физики. С позиции технологического применения, возможность управления структурой позволяет проектировать материалы с необычными свойствами. Именно поэтому существует очень высокий спрос на качественное теоретическое описание материалов и на точные теоретические предсказания их свойств.
Основой междисциплинарного характера исследований является необходимость углубления фундаментального понимания свойств материалов на основе базовых принципов естествознания и донесение этих знаний до прикладного материаловедения, смежных научных дисциплин и промышленности. Одна из целей, например, заключается в проведении современного компьютерного моделирования и описании модификаций свойств в сложных материалах, сплавах на основе переходных металлов и прочих соединениях, при одновременном изменении давления, температуры и химического состава, используя первопринципный («ab initio») поход.
Цель исследований – углубление фундаментального понимания свойств материалов на основе базовых принципов квантовой механики и передача этих знаний прикладному материаловедению, смежным научным дисциплинам и промышленности.
Основные направления исследований включают в себя моделирование термодинамических и механических свойств промышленных материалов, сплавов на основе титана и циркония, сталей, а также наноструктурированных материалов применяемых в защитных покрытиях и электронной промышленности. Данные моделирования будут напрямую рассматривать магнетизм и электронные корреляции, установят структурные соотношения между различными фазами, учитывая динамику решетки, а так же размерные эффекты на нано-масштабе.
Теоретические расчеты в рамках теории функционала плотности уже давно стали общепризнанным инструментом для компьютерного моделирования свойств материалов. В большинстве случаев, однако, информация получена при нормальных внешних условиях, предотвращая тем самым возможность создания материалов для применения в экстремальных условиях.
Перспективные направления фундаментальных исследований
В период времени до 2020 гг. студенты и аспиранты кафедры под руководством сотрудников лабораторий и кафедры буду решать новые перспективные исследовательские задачи, где традиционный теоретический подход, направленный в первую очередь на объяснение предыдущих экспериментальных данных получит новое направление, связанное с возможностью предсказательного компьютерного дизайна материалов.
Будет проводиться моделирование при условиях близких к реальным, включая в теоретическое описание эффекты разупорядочения, магнитных возбуждений, и электронных корреляций, необходимые для проектирования новых сплавов и соединений на основе переходных металлов. Планируется расширение масштаба наших вычислений с применением многомасштабной методологии, и таким образом мы сможем описывать очень сложные материалы, такие как нано-структурированные материалы, а также такие явления, как спинодальный распад и межатомное взаимодействие в материалах. Более того, наиболее трудные задачи в данном проекте потребуют моделирования при высоких температурах и/или давлениях. Таким образом, будет создана теоретическая основа и программное обеспечение для создания новых материалов с заданными функциональными и прочностными свойствами. Специфика свойств этих материалов связана с вкладами в свободную энергию электронной энтропии, колебаний кристаллической решетки и ее теплового расширения. Кроме того в новых материалах будут целенаправленно созданы различные кристаллические структуры фаз, в которых химический состав будет варьироваться во всем интервале концентраций.
Теоретические предположения и модели будут проверены экспериментально. В результате, будут созданы не только образцы новых материалов, но и теоретические методы и инструменты моделирования, базы данных параметров материалов, востребованные для широкого мирового научного сообщества и для наших промышленных партнеров.
Направления фундаментальных научных исследований:
- Фундаментальная, прикладная и вычислительная механика и компьютерный инжиниринг.
- Физическое и математическое моделирование структуры, свойств и технологий получения конструкционных и функциональных материалов (на основе квантово-механических методов, технологий математического и компьютерного моделирования).
Направления прикладных научных исследований:
- Технологии имитационного моделирования высокоэнергетических систем и материалов.
- Конструкционные материалы для авиакосмической и энергетической промышленности.
- Создание широкодиапазонных уравнений состояния металлов, сплавов, тугоплавких соединений для моделирования процессов структурных и фазовых превращений в многокомпонентных системах при высокоэнергетических воздействиях, реализуемых в аддитивных технологиях.
- Создание физико-математических и вычислительных моделей многоуровневого моделирования систем и элементов конструкций, для прогноза их физико-механических свойств и прочности.
- Создание физико-математических и вычислительных моделей структурных и фазовых превращения в многокомпонентных системах при высокоэнергетических воздействиях.
- Компьютерное прогнозирование термодинамических и механических свойств, включая структурные соотношения между различными фазами, учитывая динамику решетки, а так же размерные эффекты на нано-масштабе, в промышленных материалов, сплавов на основе сталей и переходных металлов, а также наноструктурированных материалов применяемых в защитных покрытиях и электронной промышленности.
Приоритетные направления научных исследований на кафедре МДТТ до 2020 гг.
– Керамические и композиционные материалы на керамической, металлической и полимерной основе, сплавы для авиакосмической отрасли, ядерной энергетики, машиностроения, автомобилестроения, судостроения.
– Аддитивные технологии новых материалов и систем.
Связь с критическими технологиями РФ и национальной технологической инициативой, подготовка кадров, научные исследования и разработки выполняются в рамках перечисленных ниже критических технологий и национальной технологической инициативы, объявленных в Российской Федерации:
– критические технологии: нано-, био-, информационные, когнитивные технологии, технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов, технологии получения и обработки функциональных наноматериалов.
– направления НТИ/ Группа «Технологии»: цифровое проектирование и моделирование,
– новые материалы, аддитивные технологии.