Российские ученые научились определять прочность покрытий при помощи компьютерной модели

Молодой ученый из Южного федерального университета Юрий Владимирович Русалев разработал новую компьютерную методику, позволяющую с высокой точностью прогнозировать механические свойства современных покрытий без дорогостоящих лабораторных испытаний. В основе подхода лежат методы расчета молекулярной динамики.

«Я начал свой проект по расчету твердости материалов еще в аспирантуре. Мне было очень интересно освоить новую для себя методику расчета молекулярной динамики. Это известный инструмент с широким спектром возможностей применения», — поясняет  инженер фронтирной лаборатории рентгеноспектральной нанометрологии Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, кандидат физико-математических наук Юрий Владимирович Русалев.

Работы велись с использованием программы Lammps для классической молекулярной динамики с отрытым исходным кодом.

«Методы молекулярной динамики позволяют моделировать десятки тысяч связей между атомами в том или ином материале, что приближает модель к  реальности. И в будущем это позволит нам перейти от многочисленных проб и ошибок при создании образцов в лабораториях к компьютерному дизайну материалов, который быстрее, дешевле и удобнее. То есть мы берем мощный компьютер, делаем симуляцию и получаем ответ. Например, с каким составом нужно взять покрытие, чтобы получить такую-то твердость или коэффициент трения», — рассказывает Ю.В. Русалев.

В результате исследований ученый создал компьютерную модель процесса наноиндентирования — стандартного метода исследования твердости материалов, когда игла специальной формы (индентор) вдавливается в материал и прибор фиксирует зависимость прилагаемой силы от глубины проникновения.

«Я обычно студентам так и объясняю: знаете, как определить твердость ножа? Берете стеклянную бутылку и пробуете ножом ее поцарапать. Если нож царапает бутылку, значит, он тверже стекла. Аналогично покрытия испытывают в лабораториях — царапают с помощью иглы и замеряют нагрузку на нее, затем строят кривую наноиндентирования и вычисляют модуль Юнга или коэффициент трения. Мы же теперь можем все это рассчитать на компьютере: при каком давлении покрытие начнет ломаться и какие структуры в него добавить, как его улучшить, чтобы оно служило дольше»,  — объясняет Ю.В. Русалев.

На практике цифровую модель наноиндентирования уже применили ученые в Уфимском университете науки и технологий для исследований инновационного углеродного покрытия на никелевой подложке, которые не только улучшают механические свойства материалов — снижают трение и повышают износостойкость, но и придают привлекательный внешний вид изделиям. Такие напыления используют в разных областях — от тяжелой промышленности до ювелирного производства. В результате удалось рассчитать основные свойства покрытия, детально изучить процесс его разрушения под нагрузкой и образования трещин. Новые данные позволят в дальнейшем разработать более совершенные покрытия. 

В настоящее время исследовательская группа во главе с Ю.В. Русалевым продолжает работу по адаптации компьютерной модели к исследованию других типов покрытий. Например, большой интерес вызывают высокоэнтропийные сплавы, которые могут быть применимы в атомной и космической отраслях.

Примечание: результаты исследования, проведенного в рамках реализации стратегического проекта «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов под управлением искусственного интеллекта» программы «Приоритет-2030» ЮФУ (нацпроект «Молодежь и дети»), изложены в научном журнале Surfaces and Interfaces. 

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.