Уникальные научные установки

Экспериментальный комплекс для физико-химического исследования материалов и высокотемпературных процессов методом молекулярных пучков («Молекулярный пучок»)

УНУ создана в 1989 году

Данная УНУ была поддержана в рамках мероприятия 1.8 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»
Данная базовая организация ЦКП имеет статус "государственный научный центр (ГНЦ)"
Адрес
  • Центральный
  • 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 23/9, стр. 2
Руководитель работ
Сведения о результативности за 2016 год (данные мониторинга)
Участие в мониторинге Число организаций-пользователей, ед. Число публикаций, ед. Загрузка в интересах внешних организаций-пользователей, %
нет000.00
Базовая организация

Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии имени И.П.Бардина

Информация об уникальной научной установке (УНУ)

Экспериментальный комплекс «Молекулярный пучок» включает две оригинальные установки: одна служит для проведения интегральных измерений методом полной конденсации молекулярного пучка, а другая - для масс-спектрального анализа молекулярных пучков при отборе проб газа, высокотемпературного пара, в том числе при повышенных давлениях. Установки образуют единую взаимодополняющую и взаимосвязанную систему исследований, ориентированную на установление комплекса наиболее важных физико-химических и кинетических параметров, необходимых для изучения и моделирования широкого круга промышленных и природных высокотемпературных процессов, нанотехнологий, перспективных наноструктурных, аморфных, квазикристаллических и других материалов. Единый принцип работы установок основан на генерировании молекулярных или ион-молекулярных пучков, анализ которых позволяет получить полные сведения о давлении пара. Для формирования молекулярных пучков используется комплекс различных устройств: эффузионные ячейки более 20 разных конструкций (с коническим профилем внутренней полости, сдвоенные, многокамерные, с напуском газа или высокотемпературного пара), гетерогенные и газодинамические источники молекулярного пучка, испарители с открытой поверхности, реакторы с отбором проб газа или пара от повышенных давлений. Исследование и анализ молекулярных пучков позволяет получить полные прецизионные данные о качественном и количественном молекулярном и ионом составе высокотемпературного пара или газа. Принципиально важной является и взаимодополняющая роль каждой из установок. Интегральные измерения на первом приборе дают возможность получить прецизионные данные (с точностью не хуже 1-1,5%) по абсолютным величинам давления пара. Однако, не позволяют установить его молекулярный и ионный состав. Напротив, дифференциальные, масс-спектральные определения, выполняемые на второй установке, дают исчерпывающие сведения об относительном молекулярном и ионном составе пара (газа). Тем не менее, их количественная трактовка возможна, только при наличии данных об абсолютной величине давления пара. Таким образом, сочетание результатов измерений на взаимодополняющих компонентах комплекса "Молекулярный пучок" позволяет установить прецизионные данные о парциальных давлениях всех молекулярных и ионных компонентов высокотемпературного пара (газа). По найденным величинам и динамике их изменения во времени проведения эксперимента с высокой точностью могут быть рассчитаны термодинамические и кинетические характеристики исследуемого процесса. Точное определение парциальных давлений не только нейтральных молекулярных, но и заряженных компонентов высокотемпературного пара (газа) позволяет исследовать процессы, происходящие в высокотемпературной плазме, продуктах сгорания топлив, при взаимодействии высокоэнергетических пучков с веществом и т.п. Если, изучаемым объектом является насыщенный пар, находящийся в равновесии с конденсированным веществом, то полученных сведений достаточно для расчета, во многих случаях несколькими независимыми способами, всего комплекса важнейших термодинамических (давление пара, энтальпия испарения (сублимации), активность, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса, теплоемкость), других физико-химических и кинетических (скорость испарения (сублимации), коэффициент испарения (сублимации), вязкость, энергии активации вязкого течения и кристаллизации, критическая скорость охлаждения, поверхностное натяжение, коэффициент диффузии, в том числе поверхностной и др.) свойств сложных композиций разной природы.  Дополнительным важным обстоятельством является взаимное дополнение установок по диапазонам измеряемых давлений и температурным интервалам исследований. Первый прибор дает возможность изучать объекты с низкими величинами давления насыщенного пара (10-8-102 Па), а другие два при более высоких (10-5-105 Па) давлениях в реакционной зоне и широком диапазоне температур 600-1950 К. Использование ряда разработанных оригинальных методических приемов, позволяет распространить область эффективного использования этих  установок на смеси, в ряде случаев характеризующиеся предельно низкой величиной давления насыщенного пара, вплоть до 10-10-10-12 Па. Таким образом, сочетание установок позволяет полностью охватить наиболее важный для науки и практики интервал давлений и температур.

Главные преимущества, обоснование уникальности установки, в том числе сопоставление УНУ с существующими аналогами

Исследовательский комплекс «Молекулярный пучок» создан на основе отечественной приборной базы и благодаря уникальности принципов работы и конструкции ряда ключевых устройств, в том числе источников молекулярного пучка, оригинальности разработанных методик, является единственным в России. Количество подобных комплексов в мире ограничено: США, Германия, Франция. Однако все они лишены возможности проведения интегральных измерений, поэтому характеризуются значительно более меньшей точностью и объемом получаемых данных, уступают по диапазону изучаемых давлений, температур, методическому уровню проведения эксперимента. Как правило, получаемая информация ограничена сведениями о составе пара и величинах парциальных давлений компонентов, установленных с точностью не выше 5-8% для узкого (100-200 К) интервала температур. Практически во всех случаях нижний предел температур исследования ограничен снизу величиной 1000-1200 К, а диапазон измеряемых давлений составляет 10-5-100 Па. В результате, полученные данные не позволяют рассчитывать и интерпретировать ряд важнейших физико-химических и кинетических (скорость испарения (сублимации), коэффициент испарения (сублимации), вязкость, энергии активации вязкого течения и кристаллизации, критическая скорость охлаждения, поверхностное натяжение, коэффициент диффузии, в том числе поверхностной и др.) свойств, исследовать перспективные наноструктурные, аморфные (стеклообразные), квазикристаллические материалы. Полученных данных, как правило, не достаточно даже для адекватного прогнозирования фазового состава, реакционной способности современных материалов и процессов их получения. Таким образом, главные преимущества и уникальность УНУ «Молекулярный пучок» состоят в следующем: Возможность в реальных масштабах температур, давлений, времени прямого экспериментального изучения, прогнозирования и моделирования широкого круга сложных высокотемпературных промышленных процессов и природных явлений, что недоступно другим методам исследования. Возможность комплексного исследования физико-химических (вязкость, поверхностное натяжение, теплопроводность, электропроводность), термодинамических и кинетических (энергии активации вязкого течения и кристаллизации, скорости превращений и кристаллизации, температура стеклования, критическая скорость охлаждения) характеристик широкого круга материалов и природных объектов. Получение адекватных представлений об их поведении при производстве и эксплуатации материала, установление фундаментальных закономерностей взаимосвязи химической природы, строения, стабильности и физико-химических свойств вещества в различных агрегатных состояниях. Возможность прямого исследования метастабильных и лабильных состояний вещества, материала во всех агрегатных состояниях, в том числе возникающих в экстремальных условиях, при воздействии высокоэнергетических пучков. Благодаря многофункциональности и универсальности, установка «Молекулярный пучок» позволяет производить сложные междисциплинарные исследования и получать значимые научные результаты по раскрытию природы новых явлений, созданию широкого круга перспективных новых материалов, процессов и технологий. Особенно важны указанные выше уникальные возможности установки, позволяющие производить исследования, недоступные для других методов и приборов, и получать оригинальные решения комплексных, важных для многих отраслей науки, техники, технологии и экономики страны, проблем. Ключевым является то обстоятельство, что уникальность и преимущества исследовательского комплекса «Молекулярный пучок» базируются на собственных конструктивных и методических разработках высококвалифицированного коллектива заявителей проекта, которые возникли в результате проведения многолетних (более 30 лет) детальных поисковых исследований. Поэтому параллельное создание аналогичных исследовательских комплексов является нецелесообразным из-за значительных материальных, трудовых и интеллектуальных затрат.

Основные направления научных исследований, проводимых с использованием УНУ

  • Физика конденсированного состояния, теплофизика, молекулярная физика, химическая физика;
  • Химия, физическая химия, неорганическая химия, химическая термодинамика;
  • Научные основы формирования новых металлических, керамических и композиционных материалов конструкционного и функционального назначения;
  • Исследование фазовых превращений и реакций, происходящих в перспективных материалах различной природы, изучение метастабильных, в том числе аморфное, нанокристаллическое, квазикристаллическое, состояний;
  • Прямое экспериментальное изучение и моделирование сложных высокотемпературных промышленных процессов и природных явлений;
  • Определение комплекса наиболее важных физико-химических, термодинамических и кинетических параметров индивидуальных веществ, многокомпонентных, многофазных смесей и материалов в любом агрегатном состоянии;
  • Исследование процессов, происходящих в экстремальных условиях, в том числе, при воздействии высокоэнергетических пучков на вещество;
  • Формирование баз данных по комплексу физико-химических свойств и кинетических параметров для моделирования природных явлений и технологических процессов в различных отраслях промышленности;
  • Изучение процессов массопереноса в газообразном и конденсированном состояниях.

Наиболее значимые научные результаты исследований

Благодаря уникальным возможностям установки «Молекулярный пучок», в том числе ряду конструкционных особенностей (использованию ячеек с коническим профилем внутренней полости, сдвоенных ячеек специальной конструкции с напуском газа, высокотемпературного пара и т.п., системы полной конденсации молекулярного пучка и др.), разработанным оригинальным методическим приемам и подходам, основанным на инициировании и исследовании равновесий с участием летучих продуктов взаимодействия, впервые удалось создать условия (широкие диапазоны давлений (10-12-100 Па) и температур 600-1950 К измерений) для исследования метастабильных состояний, таких как переохлажденная жидкость, наноструктурное, аморфное (стеклообразное), квазикристаллическое и другие. Возможность сочетания измерений разными методами и использование источников молекулярного пучка ряда оригинальных конструкций, а также совершенствование методик привело к повышению точности измерений до 1-2%, дальнейшему расширению диапазона исследуемых давлений до 10-16-105 Па и позволило впервые в мире: Определить абсолютную и конфигурационную энтропию аморфных металлических сплавов в интервале от 0 К до температуры кристаллизации. Сформулировать принципы точного описания стабильности аморфных сплавов и их превращения в нанокристаллическое состояние. Разработать количественные критерии склонности металлических расплавов к превращению в аморфное состояние. Предложить принципы точного прогнозирования физико-химических и физико-механических свойства жидких, стеклообразных и нанокристаллических композиций. Произвести прямые экспериментальные определения термодинамических свойств и раскрыть природу квазикристаллического состояния металлических сплавов. Сформулировать на основе представлений об ассоциации новую теорию строения металлургических шлаков, флюсов, комплексных композиций неорганических соединений, позволяющую с единых позиций трактовать реакционную способность, условия равновесия фаз, физико-химические свойства многокомпонентных расплавов различной природы и доказать ее экспериментально. Создать количественные критерии предрасположенности жидких и аморфных сплавов к переходу в квазикристаллическое состояние, выбора составов сплавов наиболее склонных к такому превращению. Разработать уникальные методы управления типом, количеством, размером и морфологией неметаллических включений (выделений неметаллических избыточных фаз), в том числе наноразмерными, формами присутствия примесей в металлических, композиционных материалах различной природы и назначения. Разработать оригинальные методы наноструктурирования разных типов массовых высококачественных сталей, прецизионных сплавов, других металлических и композиционных материалов. Создать адекватные методы термодинамического, физико-химического моделирования процессов обработки жидкого и твердого металла.

105005, г. Москва, ул. Радио, д. 23/9, стр. 2
📷

Перечень объектов в составе УНУ (3)

Наименование Изготовитель Страна Год выпуска Количество единиц
Масс-спектрометр МИ-1201В переоборудованный для проведения высокотемпературных термодинамических измерений
Назначение, основные характеристики
Завод электронных микроскопов, г. Суммы ЦНИИчермет им. И.П.Бардина, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.9/23 1986 1
Переоборудованная универсальная сверхвысоковакуумная установка «УСУ-4», доукомплектованная времяпролетным масс-спектрометром с гетерогенным и газодинамическим источниками молекулярного пучка
Назначение, основные характеристики
Завод Научного приборостроения РАН, Московская обл., п. Черноголовка ЦНИИчермет им. И.П.Бардина, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.9/23 1988 1
Прибор для интегральных эффузионных измерений давления насыщенного пара в условиях сверхвысокого безмасляного вакуума методом полной конденсации молекулярных пучков
Назначение, основные характеристики
ФГУП ЦНИИчермет им. И.П.Бардина, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.9/23, РФ 1989 1

Услуги (12)

Для подачи заявки на оказание услуги щелкните по ее наименованию.
Наименование Приоритетное направление
Исследование закономерностей фазообразования в системах на основе титана и переходных металлов пятой группы Периодической системы для создания многофункциональных прецизионных сплавов с высоким уровнем специальных свойств и технологии получения сортового проката, лент, фольг, проволоки, а также конструкционных элементов на их основе
Индустрия наносистем
Исследование термодинамических свойств комплексных карбонитридных фаз ниобия, ванадия, карбосульфида титана для разработки новых металлических материалов, в том числе, разных типов автолистовых сталей, наноструктурных сплавов с комплексом высоких и стабильных показателей трудносочетаемых свойств
Индустрия наносистем
Исследования термодинамических свойств углерода, примесных (азот, сера) и микролегирующих (титан, ванадий, ниобий) элементов в твердых растворах на основе железа для разработки научных основ выбора материала основного слоя новых видов биметалла
Индустрия наносистем
Исследование термодинамических свойств углерода, азота, серы, микролегирующих добавок Nb, V, Ti и других элементов в стали, а также карбидных, нитридных, сульфидных, карбонитридных, карбосульфидных и других комплексных избыточных фаз для создания высокоэффективных технологий производства наиболее перспективных типов автолистовых сталей, в том числе высокоштампуемых сверхнизкоуглеродистых, низкоуглеродистых, термоупрочняемых, высокопрочных микролегированных сталей с уникальным сочетанием высоких и стабильных показателей прочностных, пластических и других служебных характеристик
Индустрия наносистем
Исследование влияния химического состава, технологических параметров производства на тип, количество и морфологию образующихся выделений неметаллических избыточных фаз, в том числе наноразмерных, и, в результате, достигаемый комплекс свойств механических и других служебных свойств трубных сталей
Индустрия наносистем
Исследование закономерностей формирования и трансформации неблагоприятных типов неметаллических включений в жидкой и твердой стали и формулировка требований к параметрам обработки металла, обеспечивающим требуемое низкое содержание коррозионно-активных неметаллических включений
Индустрия наносистем
Исследование условий формирования разных типов неметаллических включений, выделений неметаллических избыточных фаз и разработка режимов обработки разных типов экономнолегированных сталей в жидком и твердом состояниях, обеспечивающих повышение их коррозионной стойкости в водных хлорсодержащих средах
Индустрия наносистем
Исследование термодинамических свойств легирующих элементов в оцк и гцк твердых растворах Fe-Cr-Ni, оценка фазового состава и качественных показателей металла центробежнолитых труб
Индустрия наносистем
Исследования термодинамических свойств кислорода, серы, легирующих и микролегирующих элементов в жидкой и твердой стали и создание научных основ управления типом, количеством, морфологией неметаллических включений, выделений неметаллических избыточных фаз и технологии производства разных типов сталей с высокими показателями стойкости к локальной коррозии, эксплуатационной надежности
Индустрия наносистем
Исследование термодинамических, физико-химических свойств углерода, азота, серы, микролегирующих элементов Nb, V, Ti в стали, комплексных избыточных фаз
Индустрия наносистем
Исследование термодинамических свойств карбонитридов ниобия, ванадия в области температур производства листового и рулонного проката с учетом существования фазового расслоения в указанных системах и на базе полученных результатов выполнена оценка оптимальных значений температуры нагрева заготовок под прокатку
Индустрия наносистем
Исследования условий образования выделений, в том числе наноразмерных, неметаллических избыточных фаз в стали марки 15ГС, их влияния на длительные служебные характеристики металла
Индустрия наносистем

Методики (5)

Наименование методики Наименование организации, аттестовавшей методику Дата аттестации
Методика исследования термодинамических свойств углерода, азота, серы, микролегирующих добавок Nb, V, Ti и других элементов в стали, а также карбидных, нитридных, сульфидных, карбонитридных, карбосульфидных и других комплексных избыточных фаз ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина" 01.06.2012
Методика исследования термодинамических, физико-химических свойств аморфизирующих расплавов, аморфных сплавов Ni-La ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина" 15.10.2012
Методика исследования термодинамических, физико-химических свойств аморфизирующих расплавов, аморфных сплавов Fe-Zr-B ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина" 15.10.2012
Методика регистрации ионных токов с помощью вторично-электронного умножителя для достижения чувствительности измерений до 5∙10-9 - 10-8 Па по парциальным давлениям компонентов без использования специальных приемов ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина" 01.06.2012
Методика непосредственного измерения методом кнудсеновской масс-спектрии величин парциальных давлений пара компонентов смеси с использованием двухкамерных эффузионных блоков ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина" 01.06.2012

Возврат к списку


0 комментариев

Комментарии отсутствуют!

Вы можете оставить свое сообщение первым.

Написать комментарий