ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИДЕИ, РАБОТАЮЩИЕ ПО ЗАКОНАМ РЫНКА
В.Моисеев.
Основные направления деятельности томского Института физики
прочности и материаловедения СО РАН: физическая мезомеханика
структурно-неоднородных сред; компьютерное конструирование новых
материалов и технологий их получения; материалы новых поколений
на металлической, керамической и полимерных основах; научные
основы технологий упрочнения и поверхностной обработки
материалов; неразрушающие методы контроля на основе физической
мезомеханики, являются самыми современными и во многих из них
томичи занимают лидирующее положение в мире.
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН является
одним из самых молодых в Томском научном центре, однако возник он
не на пустом месте. Костяк коллектива состоит из представителей
известной школы физики твердого тела, которая была создана на
базе Сибирского физико-технического института при Томском
государственном университете в 1928 году. Основателем этой школы
был профессор В.Кузнецов, впоследствии академик.
Второй яркой личностью этой школы была профессор М.Большанина.
Нынешнее поколение томских металлофизиков -- это, в основном, ее
ученики.
Директор ИФПМ академик В.Панин -- один из них. Первые 27 лет его
научной деятельности прошли в СФТИ. В середине 70-х годов группа
сотрудников института, основываясь на анализе огромного
экспериментального материала, накопленного Томской школой
пластичности и прочности, высказала ряд концептуально новых
представлений о поведении материалов в нагруженном состоянии на
основе новой тогда науки -- синергетики.
В 1979 году лидер томской школы физики прочности и
материаловедения В.Панин и часть сотрудников СФТИ переходят по
приглашению председателя Томского филиала СО АН академика В.Зуева
в Институт оптики атмосферы, где специально под их тематику был
создан отдел физики твердого тела и материаловедения. Именно в
этом году начались углубленнная теоретическая и экспериментальная
проработка новых представлений о поведении материалов в
нагруженном состоянии, выстраивание их в единую логическую
систему.
В 1982 году авторский коллектив, в который вошли В.Панин,
Ю.Гриняев, Т.Елсукова и А.Иванчин, опубликовал программную статью
"Структурные уровни деформации твердых тел". В ней были
сформулированы синергетические концепции описания пластической
деформации и разрушения твердых тел как единого многоуровневого
процесса потери сдвиговой устойчивости нагруженного материала.
Тогда же в Томске прошла специальная научная конференция, на
которой обсуждались идеи группы В.Панина. Оба эти события
ознаменовали рождение нового научного направления.
Впоследствии группа начала активно сотрудничать с ленинградской
школой физики, занимавшейся проблемами прочности. Одним из итогов
этой кооперации стал выход в 1985 году монографии "Структурные
уровни деформации твердых тел". Ее авторы -- В.Панин, В.Лихачев,
Ю.Гриняев. Пять лет развития нового научного направления в стенах
ИОА показали, что коллектив прочно встал на ноги, окрепла
уверенность в правильности избранного пути.
|
|
В гостях у томских физиков президент НАН Беларуси академик А.Войтович
|
В 1984 году отдел был преобразован в самостоятельный Институт
физики прочности и материаловедения СО АН.
Финансовые возможности Академии в 80-е годы были ограничены,
поэтому ученые института приняли решение самим зарабатывать
деньги на приобретение уникального оборудования, участие в
научных конференциях и международной кооперации, расширение
фронта научных исследований. Эта ориентация на работу в условиях
рыночных отношений помогла институту выжить в условиях последнего
десятилетия, когда наука осталась практически без поддержки
государства.
В 1985 году вышло постановление Совета Министров РСФСР о создании
при ИФПМ Республиканского инженерно-технического центра по
восстановлению и упрочнению деталей машин и механизмов (РИТЦ).
Госплан России целевым назначением выделил средства на
строительство инженерно-технологического корпуса и оснащение его
современным оборудованием. Коллективы ИФПМ и РИТЦ общими усилиями
начали строительство опытно-технологической базы, которая к
началу 90-х годов оказалась способной не только развивать новое
научное направление, но и работать в рамках крупных отраслевых
программ.
В 1994 году завершается строительство опытного завода при ИФПМ.
Разработки института стали доводиться до промышленных образцов и
серийного производства. Все это, а также то, что ИФПМ работал в
основном на Российскую Федерацию, позволило коллективу пережить
трудные девяностые годы сравнительно безболезненно. Ко времени
распада СССР институт имел прочные связи с Министерством науки и
другими ведомствами России.
Сегодня в ИФПМ работают 390 человек, в том числе, академик, 25
докторов и 130 кандидатов наук. В структуре института 23 научные
лаборатории, Республиканский инженерно-технический центр и
опытный завод.
Основные направления деятельности института: физическая
мезомеханика структурно-неоднородных сред; компьютерное
конструирование новых материалов и технологий их получения;
материалы новых поколений на металлической, керамической и
полимерных основах; научные основы технологий упрочнения и
поверхностной обработки материалов; неразрушающие методы контроля
на основе физической мезомеханики.
Институт физики прочности и материаловедения является
родоначальником нового направления -- физической мезомеханики
материалов. В чем новизна? При изучении прочности материала ранее
существовало два подхода: когда материал подвергался нагрузке,
смотрели, как ведут себя его механические характеристики (предел
текучести, предел прочности и др.). Этим занимается механика
сплошной среды. Второй подход -- микроуровень. При помощи
электронных микроскопов идет наблюдение за тем, как в
кристаллической решетке ведут себя при нагрузках так называемые
дислокации (дефекты). За счет изучения микроструктуры материала
можно получить важную информацию о поведении в нагруженном
материале дефектов, которые определяют его механические свойства.
Это позволило дать качественные рекомендации, как повысить или
понизить предел текучести, вязкости и т.д. Однако это не
позволило количественно связать поведение материала на микро- и
макроуровне. В соответствии с новым научным направлением между
макроскопическим и микроскопическим уровнями существует
промежуточный или мезоскопический уровень, который позволяет
количественно связать микро- и макрохарактеристики материала.
Мезоуровень непосредственно связан с внутренней структурой
реального материала. Это позволяет ввести в компьютер всю
информацию о нагруженном материале и сконструировать такую его
структуру, которая обеспечивает необходимые механические
характеристики для заданных условий эксплуатации.
Для исследования поведения нагруженных материалов и конструкций
на мезоскопическом уровне необходимо было создать новые методы и
средства. И в ИФПМ их создали.
За основу взяли метод технического зрения и лазерной голографии.
Любопытно, что методы технического зрения ранее разрабатывались в
ТУСУРе применительно к проблемам крылатых ракет. Во время полета
крылатая ракета снимает оптическое изображение местности,
перерабатывает его и сопоставляет с картой, на которой заданы
маршруты и цель. На этой основе перешедший в ИФПМ из ТУСУРа
коллектив создал два типа автоматизированных измерительных
комплексов. Один из них, TOMSK-1, для неразрушающего контроля,
позволяет прогнозировать разрушение нагруженных материалов и
конструкций задолго до появления видимых микротрещин. Принцип
действия этого комплекса следующий. Берется плоский образец
материала; его оптическое изображение до и после нагрузки
измеряется с высокой точностью телевизионной камерой с
компьютерной обработкой больших массивов оптической информации.
Это позволяет построить количественную теорию поведения
нагруженного материала на мезоуровне с учетом его реальной
внутренней структуры. Теперь виден не только каждый структурный
элемент, но и его движение, взаимодействие с окружающими
структурными элементами. Становится ясно, как эти элементы
соединить между собою, какие процессы возникают на границе
раздела этих элементов, почему возникают дефекты, трещины, почему
и как материал разрушается. Ранее все это исследователю было
недоступно. Изучение закономерностей смещений в материале на
мезоскопическом уровне, их аналитическое описание на основе новых
представлений и составляет предмет нового научного направления --
физической мезомеханики материалов.
Физическая мезомеханика материалов стала основой компьютерного
конструирования материалов и технологий их обработки. В рамках
этого направления разработаны основные алгоритмы проектирования
материалов новых поколений конкретного назначения. В этом случае
первоначально задается необходимый для материала комплекс
физико-механических свойств, а затем на базе физической
мезомеханики и физического материаловедения с использованием
аппарата информационных технологий решается обратная задача, в
которой выбираются и оптимизируются состав и структура материала
на металлической, керамической или полимерной основе.
Разработанный метод позволяет резко сократить объем материальных
ресурсов, необходимых для создания нового материала, уменьшить
временные затраты и конструировать материалы новых поколений.
Разработанный в институте принцип демпфирующих структур,
основанный на новых подходах физической мезомеханики, позволил
создать принципиально новый раздел материаловедения
конструкционных и инструментальных материалов и тонких пленок для
электроники. Использование названного принципа привело к
разработке материалов конструкционного и инструментального
назначения, отличающихся повышенной стойкостью при эксплуатации
за счет более эффективной релаксации опасных концентратов
напряжений в нагруженных конструкциях. Они хорошо зарекомендовали
себя в машиностроении, металлургии, химической промышленности,
деревообработке, электронике.
Для поддержания лидерства российских ученых в новом научном
направлении ИФПМ ежегодно проводит научные конференции и
совещания по проблемам физической мезомеханики и компьютерного
конструирования материалов. Конференции, проводимые в том числе
за границей (Китай, Израиль, Германия), привлекают неизменное
внимание ведущих ученых из многих стран.
Начиная с 1998 года, институт совместно с Издательством СО РАН
издает международный журнал "Физическая мезомеханика". Журнал
одновременно выходит на русском и английском языках. В его
редакционной коллегии представлены ученые с мировым именем из
крупных научных центров России, США, Англии, Германии, Китая. Уже
первые два года издания журнала продемонстрировали широкий
интерес к нему и его оригинальной тематике со стороны мирового
научного сообщества.
Авторитет института и опыт его работы в отраслях позволили ему
возглавить научно-техническую программу "Новые материалы и
технологии для народного хозяйства и социальной сферы РСФСР".
Вслед за этим, в начале 1991 года, по инициативе первого
заместителя председателя ГКВШ А.Тихонова и председателя СО АН
СССР В.Коптюга на базе ИФПМ и материаловедческих подразделений
институтов Томска был создан межотраслевой Российский
материаловедческий центр. Сегодня он является основным
организатором работ по ФЦП "Государственная поддержка интеграции
высшего образования и фундаментальной науки на 1997--2000 годы".
В 1994 году институту был присвоен статус государственного
научного центра. И это было вполне закономерно, так как здесь
ведется работа сразу по нескольким направлениям в интересах
народного хозяйства России.
В РАО ЕЭС России выполняется крупная отраслевая программа
"Живучесть стареющих ТЭС". Ее цель -- продление паркового ресурса
станций на 10--20 лет. На Костромской ГРЭС институт создал
современное ремонтное производство, использующее новейшие
достижения в области упрочнения и нанесения покрытий с помощью
высокоэнергетических источников энергии и применения
перспективных материалов, позволяющих увеличить срок службы
деталей в 2--3 раза. В Сибирском регионе специалистами ИФПМ
проведена работа по изучению потребности энергетических объектов
в таких технологиях; для отдельных предприятий (в частности,
Томской ГРЭС-2) выполняются заказы по упрочнению и восстановлению
деталей дефицитных и ответственных узлов. Начаты работы совместно
с отраслью по решению важнейшей проблемы энергетики --
восстановление лопаток паровых турбин. Для этого в институте
создано специализированное оборудование и разработана технология
порошковой наплавки, не имеющая аналогов в мире.
В рамках отраслевой программы ОАО "Газпром" для повышения
надежности, эффективности и безопасности эксплуатации
газопроводов и газоперекачивающего оборудования разработаны
современные методы диагностики напряженного состояния и системы
пожаротушения на основе нового класса функциональных материалов.
Осваиваются новейшие методы сварки и обработки сварных швов,
повышающие их надежность в сложных условиях нагружения,
вызываемых климатическими и геологическими воздействиями. С ОАО
"Востокгазпром" и администрацией Томской области проводится
большая работа в рамках Федеральной газовой программы,
предполагающей использование томского газа для массовой
газификации с применением новых принципов его сжигания.
Совместно с Западно-Сибирской железной дорогой выполняется
отраслевая программа, направленная на увеличение межремонтных
сроков и пробега подвижных составов и электровозов, использование
современных методов упрочения и замены дорогих и дефицитных
сталей, новых методов диагностики колесных пар и состояния
транспортного металла.
На Сибирском химическом комбинате ИФПМ ведет работы по
конверсионной программе, предусматривающей широкое промышленное
освоение наукоемкой и высокотехнологической продукции, в
частности, ультрадисперсных (нанокристаллических) порошков для
получения керамических изделий самого широкого назначения.
Для лесопромышленного комплекса на опытном заводе ИФАМ создан
базовый участок для упрочнения и заточки дисковых пил,
изготовления длинномерного режущего инструмента, сварки ленточных
пил.
|
|
В цехе РИТЦа
|
РИТЦ при ИФПМ поставляет на рынок оборудование и технологии
ионно-плазменного напыления покрытий на детали машин и изделия из
стекла, керамики и пластмасс, электрохимического нанесения
керамических покрытий на детали из алюминиевых сплавов,
ионно-лучевого упрочнения инструмента, ионного азотирования
деталей машин. Эти разработки пользуются широким спросом, как у
нас в стране, так и за рубежом.
Одной из новых разработок РИТЦ является комплекс напыления на
стекло твердых селективных покрытий. Стекло с селективным
покрытием, произведенным по этой технологии, не отличается по
оптическим и теплотехническим свойствам от стекол, выпускаемых за
рубежом, а по прочности сцепления покрытия со стеклом, износои
химической стойкости превосходит их в 3--5 раз. Стоимость
покрытия ниже зарубежных в 2--4 раза. Это позволяет применять
стекло в оконных проемах без изготовления промежуточных
стеклопакетов. На опытном образце отработана технология
изготовления энергосберегающего стекла, разработаны технические
условия, получены сертификаты. В РИТЦ будет создан
опытно-промышленный участок. Опыт работы и квалифицированные
кадры есть.
Работы института получили широкое международное признание. ИФПМ
является головной организацией Международного центра исследований
по физической мезомеханике материалов, в работе которого также
участвуют Штутгартский университет, Федеральный институт
исследования и испытания материалов, Фраунгоферовский институт
неразрушающих методов контроля, Дрезденский технический
университет. В рамках программы Международного центра
осуществляется выполнение совместных научных проектов с ведущими
зарубежными исследовательскими центрами и высшими учебными
заведениями США, Великобритании, Германии, Японии, Китая,
Словении, Турции.
В институте уделяется много внимания воспитанию научной молодежи.
Только в аспирантуре ИФПМ обучается более 50 человек. Широко
взаимодействует институт с вузами Томска. Это -- совместное
участие в федеральных программах, подготовка
высококвалифицированных специалистов. В институте открыт филиал
кафедры композиционных материалов и покрытий мешиностроительного
факультета Томского политехнического университета, где обучается
45 студентов. Как структурное подразделение академического
университета создан Центр фундаментальных исследований и
элитарного образования "Физическая мезомеханика и компьютерное
конструирование новых материалов", он включает в себя ИФПМ, СФТИ,
физический и физико-технический факультеты ТГУ. В Центре открыто
два филиала кафедр ТГУ.
Сложное время переживает сегодня российская наука. Недостаточное
государственное финансирование сдерживает осуществление новых
фундаментальных идей. В ИФПМ научились преодолевать эти
препятствия, опираясь на тесную связь с отечественным
производством и международную кооперацию. Предельная концентрация
сил и средств на прорывных направлениях позволяет институту
сохранять высокий уровень научных исследований и осуществлять их
практическое применение.
г. Томск.
стр.
| 
