У відділі проводяться експериментальні та теоретичні дослідження змін властивостей і структури конструкційних та функціональних матеріалів під час впливу температурно-силових, радіаційних, магнітних і електричних полів для розробки нових матеріалів та технологій для атомної енергетики й інших областей техніки:

– дослідження процесів пластичної деформації, структуроутворення, зміцнення, знеміцнення та руйнування конструкційних матеріалів реакторобудування і кріогенної техніки в екстремальних умовах впливів (великі пластичні деформації, широка область температур, включаючи низькі, сильні магнітні поля, опромінення і їх поєднання) та встановлення зв'язку між структурними факторами і фізико-механічними властивостями для одержання матеріалів з високими характеристиками та відновлення властивостей, деградованих під час експлуатації;

– експериментальні і теоретичні дослідження на атомному рівні структури дефектів кристалічної решітки, процесів їх взаємодії та еволюції структурних елементів при механіко-термічних і радіаційних впливах; дослідження методами польової іонної мікроскопії квантових об'єктів – атомних ланцюжків вуглецю і графена;

– пошук та дослідження нових фізичних явищ, що реалізуються в чистих і надчистих металах та сплавах на їх основі з метою їх використання для розробки нових технологій в атомній енергетиці та інших галузях техніки; дослідження особливостей електрофізичних і магнітних властивостей в надпровідному, нормальному та магнітовпорядкованому станах металів і сплавів зі структурами нанометрового масштабу;

– дослідження адсорбції і десорбції різних газоподібних речовин, включаючи газові продукти поділу ядерного палива та водню, функціональними і конструкційними матеріалами; дослідження властивостей вугільних сорбентів, представлених на ринку, для їх використання при виготовленні та ремонті йодних фільтрів системи вентиляції АЕС.

Дослідження в галузі фізики міцності

Унікальними методами інтенсивних пластичних деформацій при кріогенних температурах (квазігідроекструзія (КГЕ), прокатка, волочіння) одержано наноструктурні конструкційні матеріали (аустенітні сталі, Zr, Ti, Nb і сплави) з високим рівнем властивостей (що перевищують одержані при традиційних обробках). Експериментально обґрунтовано доцільність послідовного поєднання різних по епюрі напруження видів обробки тиском для досягнення високого рівня зміцнення без порушення цілісності матеріалу.

Залежність межі текучості сплаву ВТ6 від ступеня деформації квазігідроекструзією при 77 К після ізотермічного кування

Для магнітовпорядкованих металів теоретично і експериментально встановлено ​​єдину природу магнітопластичного (при дії змінного магнітного поля (МП)) і електропластичного (при впливі електричного поля (ЕП)) ефектів, яка полягає в знеміцненні металу внаслідок відкріплення дислокацій від стопорів завдяки короткохвильовим (дебаєвським) фононам, що генеруються в результаті електрон-фононної взаємодії (ЕФВ) електронами, які отримали енергію від електричного поля (індукційного при МП ефекті) (спільно з ІПЕНМП).

Розвинено методи релаксаційних енергетичних впливів (ультразвук, нестаціонарні магнітні поля) стосовно матеріалів і зварних з'єднань обладнання АЕС:

– в результаті ультразвукового впливу, наноструктурний сплав Zr1Nb, який було одержано завдяки комбінованій інтенсивній деформації при 77 и 300 К, у порівнянні з рекрісталізованим станом, має більш високий опір повзучості та рівень міцності зі збереженням достатнього рівня пластичності при температурі експлуатації оболонок ТВЕЛів;

– вплив змінного магнітного поля промислової частоти в певному режимі викликає істотне зниження ефектів радіаційного та деформаційного зміцнення і термічних макронапружень у корпусної сталі 15Х2НМФА та її зварних з'єднань.

Температурні залежності ударної в'язкості a_K

до магнітної обробки

після магнітної обробки

Структура зварного з'єднання (сталь поблизу зварного шва і сам шов) сталі 15Х2НМФА до і після магнітної обробки

Дослідження тонкої структури і властивостей мікро-, нано- та пікорозмірних матеріалів методами польової емісійної мікроскопії та математичного моделювання

Експериментально і теоретично визначено міцність вуглецевих моноатомних ланцюжків. За допомогою методу високопольового навантаження електричним полем встановлено, що максимальне експериментальне значення міцності вуглецевих ланцюжків при 5 К становить 270 ГПа, що відповідає 90% теоретичного значення міцності ідеального вуглецевого ланцюжка. Ця величина перевищує міцність всіх відомих матеріалів, включаючи вуглецеві нанотрубки і графен.

Експериментально і теоретично досліджено зміну збільшення розширення кріогенного польового іонного мікроскопа при зменшенні розмірів зразків у нано- та субнанометрових діапазонах. Встановлено існування аномального збільшення польових іонних зображень і поліпшення меж розширення до 0,40 ± 0,05 Å.

Схема процесу польовоїй іонізації гелію на вершині моноатомного вуглецевого ланцюжка

Енергія когезії спеціальних невідповідних зерен в залежності від кута розорієнтації

З допомогою методу польової іонної мікроскопії та математичного моделювання, виявлено новий клас несиметричних спеціальних границь зерен, які не описуються традиційною теорією решіток співпадаючих вузлів (РСВ). Встановлено, що такі спеціальні не-РСВ кордони мають високу когезійну міцність, близьку до теоретичної, і домінують у спектрі границь холоднотягнутого високотекстурованого вольфраму. Одержані результати можуть бути використані в зернограничній інженерії високоміцних і радіаційно-стійких полікристалічних функціональних та конструкційних матеріалів реакторобудування.

Завдяки методам низькотемпературної польової іонної мікроскопії, виявлено явище взаємодії далекого порядку поверхневих атомів радіаційного походження з власними міжвузловими атомами в приповерхневих шарах. Встановлено, що в процесі опромінення вольфраму атомами гелію, у результаті такої взаємодії виникають нещільно упаковані двовимірні кластери адатомів, а також самоузгоджено формуються одномірні поверхневі ланцюжки з міжатомною відстанню ≈ 1 нм (позначено рожевими стрілками). Встановлено новий колективний механізм радіаційно-стимульованої поверхневої дифузії, що включає формування в поверхневому шарі лінійно делокалізованих вакансій – воідіонів (пунктирна лінія на схемі); червоним кольором позначено адатом, що виник при опроміненні.

Формування лінійних ланцюжків адатомів в результаті дальнодіючої взаємодії

Схема руху воідіона

Розвиток уявлень про природу високотемпературних надпровідників

З використанням розробленої оригінальної методики планарно-контактного зондування електронної підсистеми, вперше виявлено ​​масштабну дірочно-електронну конверсію носіїв заряду перед переходом купратних ВТНП до надпровідного стану (різке скидання електроопору, точка 4 на малюнку), що свідчить про електронно-топологічний перехід Ліфшиця, пов'язаний з досягненням температури 2D-3D кросовера (температури тримеризації ВТНП).

Вперше отримано переконливі експериментальні свідчення існування у псевдощільовому стані ВТНП позитивно заряджених локальних пар (ЛП), концепція яких походить із моделі Хаббарда. Встановлено існування кількох стадій температурної еволюції псевдощілини та показано зниження теплопровідності ВТНП за рахунок ЛП.

Прецизійні акустичні дослідження кристалічних і аморфних матеріалів

В області температур 77 – 300 К виміряно пружні, коливальні і дисипативні характеристики об'ємних металевих стекол (ОМС): Zr_41,2Ti_13,8Cu_12,5Ni₁₀Be_22,5, Zr_52,5Ti₅Cu_17,9Ni_14,6Al₁₀ и (Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁. Показано, що розходження пружних модулів та дебаєвської температури ОМС з Be і Al відповідає розходженню розмірів області середнього впорядкування в моделі ефективної кластерної упаковки. Встановлені особливості поглинання ультразвуку пов'язують з інтенсифікацією релаксаційних процесів міграцій груп атомів на міжкластерних границях у результаті впливу теплових флуктуацій і знакозмінних ультразвукових напружень.

Залежність від температури модулів пружності в об'ємних металевих стеклах Zr_41,2Ti_13,8Cu_12,5Ni₁₀Be_22,5 (1) и Zr5_2,5Ti₅Cu_17,9Ni_14,6Al₁₀ (2)

Проведено акустичні дослідження високочистих ГПГ–металів (Cd – > 99,999%, Hf – зонноплавлений). У Cd, для швидкості звуку виявлено ізотопний ефект першого порядку (лінійна залежність від різниці мас ізотопів), що свідчить про вплив ізотопного складу на зміну фононного спектру, і для загасання ультразвуку – ефект другого порядку, пов'язаний з нерівномірним розподілом ізотопів і додатковим релаксаційним механізмом розсіювання фононів. У монокристалі Hf визначено незалежні адіабатичні константи тензора пружності с₁₁ и с₃₃ та показано їх збільшення при зниженні щільності дислокацій. Встановлено, що резонансні і релаксаційні особливості у поведінці поглинання ультразвуку в гафнії змовлені коливаннями дислокаційних сегментів у «долині» потенційного рельєфу Пайерлса та подоланням цього рельєфу.

Універсальне співвідношення наведеної швидкості поздовжнього ультразвуку від приведеної температури T*=T(Mⁱ_C/M²_C)^1/2 для ізотопів Сd

Модуль прокачування «СКІФ-1» призначений для контрольованого насичення домішками йодистого метилу/йоду шарів досліджуваного сорбенту по висоті макета адсорбера при заданій температурі, вологості і концентрації парів домішків у повітряному потоці

Дослідження вугільних сорбентів для повітряних фільтрів АЕС

Створено модуль СКІФ-1 для прокачування повітряного потоку з домішками йоду/йодистого метилу через макет адсорбера з вугільним сорбентом і розроблено методику вимірювання поглинання цих домішок в умовах, що моделюють роботу адсорберів типу АУ-1500, що застосовуються на АЕС України.

Досліджено адсорбційні, аеродинамічні і механічні властивості ряду вугільних сорбентів виробництва України, Німеччини, Голландії, що дозволило обрати сорбенти з оптимальними експлуатаційними характеристиками. З урахуванням результатів цих досліджень, у ВП «Атоменергомаш» НАЕК «Енергоатом» відремонтовано та виготовлено понад 200 адсорберів.

– Лабораторія фундаментальної і прикладної надпровідності, електронних властивостей металів.

Дослідження електронних процесів і електронно-фазового стану нових сплавів, металів і надпровідників у залежності від складу та структурного стану.

– Лабораторія фізики міцності і пластичності.

Дослідження процесів формування структур субмікронного і нанометрового масштабу в конструкційних матеріалах реакторобудування та кріогенної техніки методами комбінованих інтенсивних пластичних деформацій і дослідження релаксаційних процесів у деформованих та опромінених матеріалах і зварних з'єднаннях під час впливу ультразвуку та нестаціонарних магнітних полів; встановлення зв'язку між структурними факторами і фізико-механічними властивостями для визначення режимів впливів, що забезпечують високий рівень властивостей для практичного застосування матеріалів; дослідження адсорбції і десорбції різних газоподібних речовин (включаючи газові продукти поділу ядерного палива і водень) у функціональних і конструкційних матеріалах та відповідних змін їх фізико-механічних властивостей.

– Лабораторія фізики кристалів.

Вивчення атомної структури і взаємодії дефектів решітки в твердих тілах і квантових об'єктів (атомних ланцюжків вуглецю і графена) методами низькотемпературної польової іонної мікроскопії з високою роздільною здатністю та математичного моделювання; ультразвукові дослідження температурної залежності лінійних акустичних характеристик (швидкості і поглинання ультразвуку) металів і сплавів.