Учёные Тольяттинского государственного университета знают, как предотвратить большинство техногенных катастроф и аварий

04.12.2020 8:05

В лаборатории «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы» говорят, что о грядущем разрушении металлы (в изделиях и конструкциях) «кричат» сами. Услышать эти «крики» о помощи помогает метод акустической эмиссии — ключевая область научных исследований тольяттинских учёных.

Мегагрант для старта

В этом году лаборатория отмечает первый «круглый» юбилей — 10 лет с момента создания. Днём рождения лаборатории «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы» считается 30 ноября. В 2010 году именно в этот день ректор Тольяттинского госуниверситета Михаил Криштал подписал приказ о создании новой лаборатории.

Предшествовала этому победа вуза в конкурсе мегагрантов по постановлению Правительства РФ № 220 в 2010 году. Заявка, поданная ТГУ совместно с ведущим учёным, профессором Алексеем Виноградовым, выиграла в жесточайшей конкуренции: из 507 заявок (от 179 российских вузов) многомиллионные гранты получили только 40. В том числе Тольяттинский госуниверситет. На средства этого мегагранта в 2010 году в вузе была создана лаборатория «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы» под научным руководством Алексея Виноградова. В общей сложности проект получил из федерального бюджета 172 млн рублей, и ещё 63 млн рублей составило софинансирование из других источников.

— Руководство университета приняло тогда дальновидное и стратегически верное решение: разместить всё закупаемое современное исследовательское и испытательное оборудование компактно — на одном этаже научно-исследовательской части. Это удобно не только для лучшего взаимодействия между собой, но и помогает нам оперативно выполнять запросы заказчиков наших научно-технических услуг, — рассказывает директор Научно-исследовательского института прогрессивных технологий (НИИПТ) ТГУ Дмитрий Мерсон.

Проект по созданию лаборатории «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы» был направлен в первую очередь на развитие метода акустической эмиссии (АЭ) в качестве эффективного инструмента диагностики технического состояния объектов повышенной опасности. При деформации и разрушении металлические и другие материалы излучают ультразвуковые волны (тот самый «крик»), которые могут улавливать специальные датчики. Метод АЭ позволяет выявлять и прогнозировать развитие дефектов (например, микротрещин) в металлических элементах конструкций и машин. Заслуга учёных ТГУ заключается в применении специального математического аппарата и алгоритмов, позволяющих выделять «полезные» сигналы АЭ на самой ранней стадии развития негативных процессов и заблаговременно оповещать о возможности наступления инцидента. Тем самым обеспечивается безопасная эксплуатация технических объектов, снижается вероятность наступления техногенных катастроф и аварий.

Применение метода АЭ для исследования механизмов пластической деформации и разрушения современных материалов позволило учёным ТГУ выйти на новую перспективную тематику – магниевые сплавы и их применение в авиа-, автомобилестроении и в медицине. В развитии этого научного направления тольяттинские учёные создали международную коллаборацию с исследователями ведущих магниевых центров Японии, Южной Кореи, Чехии. В России партнёрами ТГУ по разработке магниевых технологий стали Соликамский опытно-металлургический завод (Соликамск, Пермский край) и Институт проблем сверхпластичности металлов РАН (Уфа, Республика Башкирия). В свою очередь, учёных Самарского государственного медицинского университета по-настоящему заинтересовали биорезорбируемые (постепенно растворяющиеся в среде живого организма. – Прим. Ред.) магниевые сплавы. Магний полностью биосовместим с организмом человека, а его модуль упругости очень близок к модулю упругости костных тканей. Благодаря этим свойствам магний и сплавы на его основе являются наилучшими материалами для изготовления временных конструкций (стентов, имплантатов) в реконструктивной медицине. Первые тесты уже проведены в клинических условиях.

С целью дальнейшей разработки технологий производства конкретных изделий из магниевых сплавов в августе 2018 года по приказу ректора в ТГУ создан Центр магниевых технологий. В 2019 году за счёт финансирования ТГУ в качестве опорного вуза центр начали оснащать современным оборудованием.

Магниевая тематика включена в повестку создаваемого в Самарской области научно-образовательного центра «Инженерия будущего», а также положена в основу стратегии ТГУ на 2021-2030 годы.

Доказали состоятельность

Первые годы лаборатория финансировалась на средства мегагранта. Однако с 2014 года полностью перешла на самообеспечение. Более того, в 2013 году лаборатория (к тому времени уже научно-исследовательский отдел-2 — НИО-2 «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы») стала основным звеном созданного в ТГУ Научно-исследовательского института прогрессивных технологий.

— Получить мегагрант — это одно. Нужно было ещё грамотно распределить средства. Нам это удалось. Научный руководитель лаборатории Алексей Виноградов, имея богатый опыт исследовательской работы за рубежом, чётко представлял, какое оборудование необходимо нам не только для выполнения исследований в рамках гранта, но и в дальнейшей работе, — рассказывает Дмитрий Мерсон. — Мы попали в точку: 95% оборудования не стоит под замком и максимально загружено. В этом не раз могли лично убедиться гости университета при посещении лабораторий.

За 10 лет объём выполненных научно-исследовательских работ и оказанных научно-технических услуг превысил 400 млн. рублей. Реализовано пять крупных проектов в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 — 2020 годы» (из них четыре выполнены в кооперации с вузами Германии, Чехии, Японии, Южной Кореи). На данный момент коллектив лаборатории реализует 10 различных проектов, поддержанных Российским научным фондом и Российским фондом фундаментальных исследований, а также в рамках выполнения государственного задания.

Помимо этого, лаборатория сотрудничает с более чем 100 российскими компаниями и предприятиями нефтехимической, металлургической, машиностроительной отраслей. Среди них — «Российские железные дороги», АВТОВАЗ, Тольяттиазот, Куйбышевазот. Для них в ТГУ проводят исследования и экспертизу материалов, выясняя причины брака, разрушения или выхода из строя механизмов, деталей, конструкций. Ежегодно лаборатория выдаёт более 1500 протоколов испытаний (в среднем по 6 в рабочий день!), порядка 20 заключений с описанием причин техногенных аварий. Качество проводимых работ подтверждается действующими аккредитациями в международной системе ILAC и в Единой системе оценки соответствия на объектах, подконтрольных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору.

В январе 2020 года в НИО-2 была запущена лаборатория водородной хрупкости и коррозионных испытаний. Здесь в центре внимания учёных настоящая беда для современной промышленности и транспорта – коррозия. От неё страдает порядка 30-40% производимого ежегодно металла. Задачу по повышению коррозионной стойкости металлов и сплавов решают учёные во всём мире. Не менее актуальной считают и проблему водородной хрупкости металлов: материалы в ходе эксплуатации незаметно насыщаются водородом, из-за чего происходит внезапное разрушение. Часть исследований проводится в том числе и для изучения коррозионных свойств биорезорбируемых магниевых сплавов. В начале 2020 года учёные лаборатории «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы» получили одобрение Роспатента на разработанный способ гибридной обработки для создания сплава, который можно будет использовать в медицинских целях — для изготовления имплантатов в челюстно-лицевой хирургии и стентов для коронарных сосудов.

Каждая третья — в Q1

Сотрудники являются той движущей силой, которая позволяет НИО-2 стабильно работать и динамично развиваться на протяжении десяти лет. На данный момент в лаборатории 39 сотрудников: 33 – штатных, ещё 6 работают по совместительству. В этом молодом (60% сотрудников в возрасте до 39 лет) и амбициозном коллективе 5 докторов наук, 7 кандидатов наук, 6 аспирантов и 2 студента. Важно, что большинство сотрудников – это выпускники нашего университета по специальности «Физика металлов» и направлению подготовки «Материаловедение и технологии материалов», которые начинали работу в лаборатории ещё будучи студентами и поэтому органично вливались в коллектив без периода адаптации.

— Оборудование не главное в лаборатории. Важнее коллектив, научные кадры. Сотрудники лаборатории ежегодно публикуют порядка 30 статей в различных высокорейтинговых научных журналах. Только за последние пять лет у нас 143 публикации, 90% которых — в журналах, входящих в базы цитирования WoS и Scopus. Причём каждая вторая – в журналах уровня Q1 и Q2, а каждая третья – Q1. Это подтверждает высокий научный уровень проводимых нашими учёными работ, — рассказывает Дмитрий Мерсон.

Научный авторитет и признание лаборатории на мировом уровне подтверждает и тот факт, что дважды Тольяттинский госуниверситет выступал организатором престижной международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (2017 и 2019 гг.). В 2018 году вуз был выбран для проведения Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные проблемы метода акустической эмиссии» (причём научный форум прошёл в ТГУ после 25-летнего перерыва). Проведение международной школы «Физическое материаловедение» доверяли тольяттинскому вузу начиная с 2004 года уже 9 раз, пять из которых в 2011, 2013, 2016, 2017, 2019 годах, прошли под патронажем лаборатории. По итогам каждой школы в издательстве ТГУ выходили учебные пособия «Перспективные материалы» под редакцией Дмитрия Мерсона.

Мнение

Михаил Криштал, ректор ТГУ, доктор физико-математический наук, профессор:

— Талантливые люди стремятся туда, где есть определённые возможности. В своё время, когда ещё был проректором ТГУ, я обсуждал с Алексеем Юрьевичем Виноградовым, который на тот момент возглавлял лабораторию в университете города Осака (Япония), что ему необходимо, чтобы он вернулся в Россию. И он мне ответил – только одно: условия работы. То есть оборудование и возможность собрать коллектив единомышленников. По прошествии трёх лет нам удалось решить эту задачу. И в итоге в ТГУ под руководством Виноградова был реализован мегагрант, а сам он получил официальный федеральный статус ведущего учёного.

Потом появилось ещё два мегагранта под руководством других ведущих учёных, в итоге был создан полностью соответствующий мировому уровню Научно-исследовательский институт прогрессивных технологий. В нем работает порядка 70 человек и, наверное, больше 50 – это молодые люди, в том числе те, которые продолжают учиться в магистратуре в нашем университете. Эти возможности ТГУ предлагает тем ребятам, которые хотят заниматься наукой на самом современном уровне, будь то фундаментальные или прикладные системы знаний.

Алексей Виноградов, заместитель директора НИИПТ ТГУ, кандидат физико-математических наук, Dr. Eng.:

— Лаборатория «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы» создавалась с долгосрочными целями. Время показало, что 10 лет назад были приняты верные решения, сделаны грамотные инвестиции. Средства мегагранта помогли лаборатории встать на ноги. Далее всё зависело только от работы коллектива учёных. Лично я реалистично смотрю на вещи и верю фактам. А они таковы: после завершения магагранта мы продолжаем успешно работать, лаборатория оснащена современным оборудованием (которое, не только сильно загружено, но и периодически обновляется), по ряду научных направлений она является лидирующей, узнаваемой не только в России, но и в мире. Но мы не хлопаем в ладоши от восторга, нам нужно двигаться дальше. По магниевой тематике, которая стала для нас основной в последнее время, очень высокая конкуренция в мире. С конкурентами мы будто бы постоянно играем в «пятнашки» на одной доске, стремясь занять пустое поле – кто быстрее. Мы знаем, что мы умеем делать хорошо, знаем, в каких вопросах сильны конкуренты и успокаиваться нельзя. Нужно задумываться о расширении научных тематик. Есть идеи, которые позволили бы лаборатории хорошо продвинуться в мировой научной повестке. Конечно, для качественного развития в новые области нужны финансовые и человеческие ресурсы — их никогда не бывает достаточно, и над этим предстоит работать. Более того, нам нужны учёные извне – с новыми компетенциями, которых нет у нас, другими знаниями, которые бы позволили расширить горизонты лаборатории.

Источник