Ученые Сибирского физико-технического института Томского государственного университета совершили значительный прорыв в области функциональных материалов, добившись рекордного эффекта памяти формы в высокоэнтропийном сплаве на основе железа, марганца, хрома, кобальта, никеля и углерода. Результаты исследования демонстрируют, что добавление всего 0,2% углерода позволило достичь ЭПФ в 17%, что близко к теоретическому пределу для данного класса материалов.
Эффект памяти формы — это уникальное свойство металлических сплавов возвращаться к исходной конфигурации после деформации при нагреве. Такие материалы востребованы в авиакосмической отрасли, медицине (например, в стентах для сосудов) и робототехнике, где требуются надежные и долговечные решения. Однако до сих пор большинство сплавов демонстрировали ЭПФ не выше 9−15%, что ограничивало их применение.
Прорыв томских ученых связан с исследованием монокристаллов сплава (FeMnCr)60Co35Ni4.8C0.2, выращенных в лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ под руководством профессора Юрия Чумлякова. Кристаллы диаметром 25−30 мм и длиной 60−70 мм позволили детально изучить поведение материала при механических нагрузках и температурных воздействиях.
Как объясняет главный научный сотрудник лаборатории Ирина Киреева, именно легирование углеродом стало решающим фактором.
Углерод не только повышает прочность сплава, но и способствует мартенситному превращению — фазовому переходу, который лежит в основе эффекта памяти формы. Благодаря этому нам удалось добиться не только высокой величины ЭПФ, но и его стабильности в циклах «нагрузка-разгрузка».
Мартенситное превращение — это перестройка кристаллической решетки материала при охлаждении или нагреве. В данном случае переход от гранецентрированной кубической решетки к гексагональной плотноупакованной происходит с минимальными дефектами, что и обеспечивает рекордные показатели. Для сравнения, в традиционных сплавах Fe-Mn-Si ЭПФ не превышал 9,3%, а в высокоэнтропийных аналогах без углерода достигал лишь 15,7%.
Однако ученые столкнулись и с ограничениями. При напряжениях выше 150 мегапаскалей пластическая деформация начинает конкурировать с мартенситным превращением, снижая ЭПФ до 13,8%. Это важно учитывать при разработке поликристаллических сплавов для реальных условий эксплуатации.
Ранее в Томском государственном университете разработаны диоды нового поколения на основе оксида галлия, способные выдерживать напряжение свыше 1000 вольт.
