Ведущие российские вузы делают достижения, способные менять всю отрасль материаловедения. Благодаря работе талантливого молодого ученого, кандидата физико-математических наук Юрия Владимировича Русалева из Южного федерального университета (ЮФУ), разработана уникальная цифровая методика, открывающая новые горизонты оценки прочности материалов. Испытания, которые раньше требовали затратных экспериментов, теперь можно предсказывать виртуально с помощью современных вычислительных программ.
Вдохновение для новых методов: путь Юрия Владимировича Русалева
Исследовательский интерес к механике материалов возник у Юрия Русалева еще во время учебы в аспирантуре ЮФУ. Он поставил перед собой амбициозную задачу: овладеть молекулярно-динамическим моделированием для прогнозирования твердости и износостойких свойств покрытий. Молекулярная динамика известна среди специалистов как мощный междисциплинарный инструмент, способный раскрыть поведение материалов на атомарном уровне и заменить дорогостоящие лабораторные опыты.
Судьбоносная роль программы Lammps
В качестве основного программного инструмента была выбрана платформа Lammps с открытым исходным кодом, широко применяемая для моделирования динамики большого числа атомов. С ее помощью ученые моделировали взаимодействие десятков тысяч атомов в различных материалах и покрытиях, что позволяет приближаться к реалистичным условиям эксплуатации изделий. Применение таких симуляций открывает перспективу к переходу от эмпирических исследований к эффективному цифровому проектированию материалов.
«В будущем мы сможем не только подбирать требуемый состав покрытия, но и прогнозировать его твердость, коэффициент трения и другие параметры уже на этапе виртуального моделирования, — оптимистично отмечает Юрий Владимирович Русалев. — Это быстрее, экономичнее, а главное, дает нам возможность пробовать новые варианты, не ограничиваясь дорогостоящими реальными образцами.»
Компьютерная модель наноиндентирования: цифровой аналог лабораторного эксперимента
Ядро новой методики — компьютерная модель наноиндентирования, виртуально воспроизводящая процессы, происходящие в ходе стандартных лабораторных исследований твердости. Традиционно для оценки прочности используют индентор — иглу особой формы, которую вдавливают в исследуемое покрытие, регистрируя динамику нагрузки и глубины проникновения. Благодаря цифровой модели Ю.В. Русалев теперь может наглядно показывать студентам и коллегам, как изменяются свойства материалов под давлением и как происходит появление разрушений и трещин без использования сложных приборов.
«Можно привести пример, сравнив это с бытовой ситуацией: чтобы узнать, тверже ли нож стеклянной бутылки, достаточно попытаться оставить на ней царапину. Точно так же определяют твердость материалов, только в лаборатории используются специальные приборы и анализируется полученная нагрузка. А с цифровым моделированием мы можем за считаные минуты понять, при каких условиях покрытие начнет ломаться и как его модифицировать для увеличения срока службы», — считает учёный.
Практические открытия: исследования углеродных покрытий в УНТ
Разработанная цифровая технология уже нашла свое применение на практике в лабораториях Уфимского университета науки и технологий (УНТ). Здесь исследовали инновационные углеродные покрытия, нанесенные на никелевые подложки, востребованные в различных отраслях — от машиностроения до ювелирного производства. Эти покрытия характеризуются не только долговечностью, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью, но и эстетической привлекательностью. С помощью модели удалось рассчитать основные физические характеристики подобного покрытия, изучить механизмы его разрушения под нагрузкой и понять, как избежать образования трещин и других дефектов. Такие знания станут базой для создания еще более прочных и износостойких покрытий нового поколения.
Экспериментальное моделирование для материалов будущего
Команда под руководством Ю.В. Русалева ставит перед собой задачу расширить область применения цифровых моделей на другие типы покрытий и сплавов. Один из перспективных исследований — работа с высокоэнтропийными сплавами, обладающими уникальными свойствами. Именно такие материалы могут найти применение в аэрокосмической технике, атомной промышленности и производстве особо ответственных изделий. Предвидится, что подход ЮФУ позволит создавать материалы с точными заданными свойствами на атомарном уровне, существенно сокращая продолжительность и стоимость разработки.
Инновационные проекты ЮФУ: успехи программы «Приоритет-2030»
Разработки Юрия Владимировича Русалева стали результатом стратегического проекта под эгидой программы «Приоритет-2030», который реализуется в ЮФУ и направлен на ускоренное создание функциональных материалов с помощью искусственного интеллекта. Эта программа поддерживает молодых ученых, способствует формированию новых исследовательских команд и внедрению высокотехнологичных решений в современную промышленность. Научные инициативы ЮФУ, поддержанные Министерством науки и высшего образования России, формируют платформу для развития российской школы материаловедения, утверждая лидерство страны в области цифрового конструирования.
Оптимизм и высокая мотивация исследователей, передовые методы компьютерного моделирования и межвузовское сотрудничество — все эти факторы делают российские университеты местом генерации крупных научных прорывов. Ожидается, что в ближайшем будущем технологии цифрового проектирования материалов найдут еще более широкое применение, улучшат качество жизни и усилят конкурентоспособность промышленности страны на мировом рынке.
Источник: scientificrussia.ru
