Подразделения НИТУ МИСИС, в том числе кафедра физического материаловедения, осуществляющие подготовку студентов, оснащены современным научно-исследовательским оборудованием. На кафедре ведутся исследования материалов с нанокристаллической и аморфной структурой, в том числе методами компьютерного моделирования, изучаются фундаментальные проблемы физики магнитных явлений и физического материаловедения, осуществляется разработка новых магнитных материалов, в том числе для биомедицинских применений, и технологий их производства. Большое внимание уделяется вопросам синтеза новых материалов, в том числе с применением уникальных методов обработки, например, вакуумной или в специальных газовых средах, механохимического синтеза, закалки из жидкого состояния и др. При этом активно используются современное научное оборудование: автоматизированные рентгеновские дифрактометры (ДРОН-3, Дрон-3М, Rigaku Altima), в том числе последнего поколения, и оригинальные пакеты программ для анализа рентгеновских спектров поликристаллов, оптические и электронные микроскопы, мёссбауэровский и рентгеновский флуоресцентный спектрометры, установки и приборы для измерения физических (магнитных, электрических, тепловых) свойств материалов при различных температурах, в том числе гистерезисграфы сильных полей (до 2.5 Тл), вибромагнитометры (до 3 Тл), магнитоизмерительная установка МК-4Э, для контроля динамических магнитных параметров трансформаторных и динамных сталей, дифференциальный дилатометр типа L75HD1000С, стенд для измерения удельного сопротивления типа ЭТС515, прецизионный по Роквеллу с автоматической нагрузкой ТН 300, инвертированный исследовательский микроскоп Axio Observer A1m и др.
На кафедре созданы современные учебные классы, позволяющие проводить занятия с применением интерактивных технологий обучения и использованием цифровой образовательной среды.
Научная работа коллектива кафедры с участием студентов ведется как на оборудовании кафедры, так и в созданной при кафедре в 2013 г. учебно-научной лаборатории «Центр рентгеноструктурных исследований и диагностики материалов» (заведующий к.т.н., доц. Щетинин И.В.), а также в учебно-научном центре «Международная школа микроскопии» (директор к.ф.-м.н., доц. Жуков Д.Г.) и научно-исследовательских лабораториях постоянных магнитов (заведующий к.ф.-м.н., доц. Менушенков В.П.) и биомедицинских наноматериалов (заведующий д.х.н., проф. Мажуга А.Г.).
Совместно с компанией Rigaku при кафедре создан Центр компетенций «Рентгеновская дифрактометрия».
Оборудование кафедры Физического материаловедения
Мельница «Retsch PM400»
Планетарная шаровая мельница фирмы Retsch типа PM400 предназначена для измельчения, для проведения механоактивации и механохимического синтеза порошков материалов мягких, средней твёрдости и сверхтвёрдых с размером частиц на входе до 6 мм.
Планетарный механизм расположен внутри вращающегося редуктора. Вращение от двигателей передается на корпус редуктора и на его центральную ось, что позволяет получить различные соотношения скорости вращения корпуса и барабанов.
Управление процессом измельчения — компьютерное из меню на экране лицевой панели мельницы.
Мельница снаряжается четырьмя барабанами по 250 мл каждый.
Возможно проведение помола на мельнице в герметично закрытых барабанах, снабжённых газовыми клапанами для предварительной откачки атмосферы и заполнения их инертным газом.
Основные параметры мельницы «Retsch PM400»:
- Скорость вращения планетарного диска: от 30 до 400 об/мин.
- Скорость вращения размольного стакана: от 30 до 400 об/мин.
- Допустимое количество посадочных мест: 2 или 4.
- Максимальное количество посадочных мест: 4.
- Размольная гарнитура: 4 размольных стакана объёмом по 250 мл или по 500 мл или 8 размольных стаканов объёмом по 125 мл.
- Объём загружаемого материала на размольный стакан: от 20 до 120 мл.
- Максимальный размер загружаемых частиц порошка: 6 мм.
- Шумовые эмиссии: до 85 дБ.
- Режим работы: эксплуатация с нагрузкой и периодическими паузами длительностью
5-15 минут на каждые10-20 минут работы. - Охлаждение: воздушное.
- Управление процессом: компьютерное управление из меню на экране лицевой панели мельницы.
- Размеры установки: высота 1220 мм; ширина 836 мм; глубина 780 мм.
- Масса: 290 кг (нетто).
- Материал исполнения размольных стаканов: сталь 50Х15ГС;
- Материал исполнения размольных шаров: сталь ШХ15.
- Напряжение питания: (220÷230) В;
- Частота питающей сети: (50÷60) Гц.
- Потребляемая мощность: до 2200 Вт.
- Потребляемая сила тока: до 12,5 А.
Мельница «Активатор 2S»
Планетарная мельница «Активатор 2S» предназначена для тонкого помола твердых веществ и проведения механохимических реакций.
Планетарный механизм расположен внутри вращающегося редуктора. Вращение от двигателей передается на корпус редуктора и на его центральную ось, что позволяет получить различные соотношения скорости вращения корпуса и барабанов.
Мельница управляется от персонального компьютера при помощи оригинальной программы «Активатор» через интерфейс USB.
Мельница снаряжается двумя барабанами по 250 мл каждый (сталь 40Х13).
Возможно проведение помола на мельнице «Активатор 2S» в герметично закрытых барабанах, снабжённых газовыми клапанами для предварительной откачки атмосферы и заполнения их инертным газом.
Основные параметры мельницы «Активатор 2S»:
- Соотношение радиусов (центрального и барабанов) — 1,57.
- Радиус планетарного вращения — 62,76 мм.
- Внутренний радиус барабанов — 40 мм.
- Объем барабанов — 250 мл.
- Минимальное время разгона до максимальной скорости — 30 сек.
- Масло — МС-20 (500 мл).
- Загрузка барабанов: шары — до 340 г (сталь ШХ15), порошок — 15÷70 г.
- Скорость вращения планетарного диска — от 30 до 1000 об/мин.
- Скорость вращения размольного стакана — от 30 до 2500 об/мин.
- Допустимое количество посадочных мест — 2.
- Охлаждение — водяное.
- Размеры установки — длина 700 мм; ширина 700 мм; высота до 560 мм.
- Масса — 250 кг (нетто).
- Материал исполнения размольных стаканов — сталь 40Х13;
- Материал исполнения размольных шаров — сталь ШХ15.
- Напряжение питания — 380 В;
- Частота питающей сети — (50÷60) Гц.
Печь вакуумная ВС-3-16
Печь предназначена для термообработки и спекания порошков и пресс-заготовок материалов в вакууме и в газовой среде (аргон, азот).
Печь имеет водяное охлаждение кожуха, вакуум обеспечивается 4 насосами — мембранным, двумя форвакуумными, диффузионным.
Управление режимами работы печи осуществляют через компьютер.
Основные параметры печи:
- Максимальная температура рабочей зоны — 1600 °С.
- Размеры рабочего пространства для проведения отжигов — 100×100×250 мм.
- Неравномерность температурного поля в пределах рабочего пространства ± 5 °С.
- Предельное остаточное давление — 1×10-5 мм рт. ст.
- Установленная максимальная мощность — 20 кВт.
- Питающая электросеть по ГОСТ
13109-97 — 3N/380. - Расход воды — не более 1 м3/ч.
- Габаритные размеры установки, мм:
- длина: 2100;
- ширина: 1100;
- высота: 1700.
Вакуумная печь ВС-3-16 включает в себя следующие внешние компоненты:
- Датчик давления InstuTech CVM211GCL.
- Затвор 2ЗВПлП-250.
- Клапан VDW21-5G-3-M5-H22.
- Клапан XLS-25-P5G.
- Клапан XMH-25.
- Манометр ДА2010СгУ2.
- Насос 2НВР-5ДМ.
- Насос НД-250.
- Насос мембранный НВМ-20D.
- Пневмораспределитель EVM130-F01-00.
- Ротаметр ЭМ 210-Р-008А-Г.
- Датчик протока воды CYNERGY 3 FS22A.
- ПИД регулятор ОВЕН ТРМ251.
- Преобразователь температуры ТРМ202-Н.РР.
- Термопара ТП-А 001 (ВР5/20).
- Трансформатор ОЭСК 15/50.
- Фазовый регулятор М25М-Б-2-250-12.
Печь вакуумная ВС-4-10,5
Печь предназначена для отжига порошков и изделий в вакууме и в газовой среде (аргон, азот).
Печь имеет водяное охлаждение кожуха, вакуум обеспечивается 2 насосами — мембранным и форвакуумным.
Управление режимами работы печи осуществляют через ПИД регулятор вручную.
Печь снабжена устройством для поднятия/опускания столика с отжигаемыми образцами в рабочее пространство печи, нагретое до заданной температуры, с целью управления скоростью достижения образцами температуры их термообработки и скоростью их охлаждения.
Основные параметры печи:
- Максимальная температура рабочей зоны — 1050 °С.
- Размеры рабочего пространства — длина 200 мм, диаметр 80 мм.
- Неравномерность температурного поля в пределах рабочего пространства ± 5 °С.
- Предельное остаточное давление — 7,5×10-3 мм рт. ст.
- Установленная максимальная мощность — 10 кВт.
- Питающая электросеть по ГОСТ
13109-97 — 3N/380. - Расход воды — не более 0,5 м3/ч.
- Габаритные размеры установки, мм:
- длина: 1400;
- ширина: 600;
- высота: 2200.
Вакуумная печь ВС-4-10,5 включает в себя следующие внешние компоненты:
- Датчик давления InstuTech CVM211GCL.
- Клапан VDW21-5G-3-M5-H22.
- Редуктор.
- Клапан XMH-25.
- Манометр ДА2010СгУ2.
- Насос 2НВР-5ДМ.
- Насос мембранный НВМ-20D.
- Пневмораспределитель EVM130-F01-00.
- Ротаметр ЭМ 210-Р-008Б-Г.
- ПИД регулятор ОВЕН ТРМ251.
- Преобразователь температуры ТРМ202-Н.РР.
- Термопара КТХА.
Электронный дилатометр типа «Линсайс» L75 Platinum
Горизонтальный дилатометр исследовательского класса Линсайс" L75 Platinum с температурным диапазоном от Tкомн до 2000 °C, с горизонтальным расположением измерительной ячейки с двумя датчиками перемещения для выполнения дифференциального анализа с компенсацией температурного расширения самой измерительной ячейки.
В качестве держателя образца используется корундовый держатель Al2O3 (до 1600 °С). Образец располагается горизонтально, при смене образца происходит автоматического обнуление датчика LVDT с сохранением результатов предыдущих измерений. Возможно проведение измерений с использованием различных продувочных газов для создания инертной, окислительной и восстановительной атмосферы в ячейке.
Вакуум-плотная конструкция ячейки позволяет проводить измерения при минимальном остаточном давлении (в вакууме), а встроенная система автоматического контроля давления с цифровым дисплеем гарантирует высокое качество измерений при высоких скоростях продувки и избыточном давлении.
Спецификация:
- Температурный диапазон: RT...1600°С.
- Скорость нагрева: 0.1...50 K/мин.
- Измерение диапазонов: ± 25 — 2500 мкм.
- Максимальный вакуум:
10-5 мбар. - Разрешение: ± 0.125 нм/разряд.
- Точность: ± 1% полной шкалы.
- Воспроизводимость: ± 150 нм.
Решаемые задачи:
- Коэффициент термического расширения;
- Линейное термическое расширение;
- Истинный температурный коэффициент линейного расширения;
- Температуры фазовых превращений.
Твердомер TH300
Автоматизированный стационарный твердомер по Роквеллу TH300 с удлиненной нагружающей частью для проведения испытания в труднодоступных местах с простым в управлении меню.
Технические характеристики твердомера TH300:
- Шкалы измерения A, B, C, D, E, F, G, H, K, L, M, P, R, S, V Роквелла.
- Дискретность индикации 0.1 единицы Роквелла.
- Предварительная нагрузка 98.1 Н (10 кг).
- Предельная нагрузка 588.4 Н (60 кг).
- 980.7 Н (100 кг).
- 1471 Н (150 кг).
- Рабочее пространство по вертикали: 250 мм.
- По горизонтали: 150 мм.
Решаемые задачи:
- Твердомер TH-300 предназначен для контроля твёрдости стали, литой стали, легированной стали, немагнитных металлов, пластмасс и др. материалов;
- Позволяет выполнять измерения на внутренних поверхностях колец диаметром не менее 23 мм и на поверхностях круглых прутков диаметром не менее 3 мм.
Синхронный термоанализатор NETZSCH STA 449 F3 Jupiter
Данный прибор позволяет проводить синхронные измерения методами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрического анализа (ТГА).
Синхронный термоанализатор (СТА), оснащён ДСК/ТГА сенсором с термопарами типа S (Pt — Pt10Rh) и печью с платиновым нагревателем, что позволяет проводить измерения до температур 1500 ºС. Измерения методом ДСК при помощи данного сенсора относятся к типу ДСК теплового потока. Термовесы, установленные в приборе позволяют определять изменения массы с точностью до тысячных миллиграмма.
Технические характеристики:
- Температурный диапазон: 30°C ... 1500°C.
- Скорость нагрева и охлаждения: 0.001 K/мин ... 50 K/мин.
- Диапазон масс: 35000 мг.
- Разрешение ТГ: 0,001 µg.
- Разрешение ДСК:< 1 мкВт.
- Атмосфера: инертная, окислительная, статическая, динамическая.
- Клапан для
2-х продувочных и одного защитного газов. - Вакуумное разрешение до
10-4 мбар.
Решаемые задачи:
Возможности термогравиметрии:
- Изменение массы в % или мг;
- Автоматическое определение стадий изменения массы;
- Определение остаточной массы;
- Определение температуры начала и конца потери массы на ТГ-кривой (экстраполяцией);
- Температурный максимум
1-й и2-й производной термогравиметрической кривой.
Возможности дифференциального сканирующего калориметра:
- Определение температуры начала, максимума, перегиба, конца теплового эффекта;
- Автоматический поиск пика;
- Тепловые эффекты переходов: определение площади пика (энтальпии) с выбранной базовой линией и парциальной площади пика и его ширины;
- Автоматическая коррекция базовой линии;
- Определение параметров процесса кристаллизации;
- Определение индукционного времени окисления.
Комплекс для исследования физических свойств материалов в широком диапазоне температур и магнитных полей PPMS EverCool-II
PPMS — уникальная система, позволяющая измерять физические свойства материалов в магнитном поле при различных температурах. Магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим магнитном, достигает ± 9 T. Так же PPMS оснащен бескриогенной интегрированной системой сжижения гелия замкнутого цикла EverCool II, которая позволяет достигать температур от 1.9 до 400 К без использования жидкого гелия.
Система позволяет проводить измерения следующих свойств различных материалов:
- Намагниченности и магнитной воспримичивости при постоянном внешнем магнитном поле (опция VSM);
- Намагниченности и магнитной восприимчивости при переменном магнитном поле (χAC) (опция ACMS);
- Зависимости магнитного момента от угла наклона к магнитному полю для анизотропных образцов (опция Tq-Mag);
- Электросопротивления при постоянном токе (опция DCR);
- Электросопротивления при переменном токе, критического тока сверхпроводника, эффекта Холла (опция ACT);
- Удельной теплоемкости (опция HC).
Технические характеристики
- Сверхпроводящий магнит:
- Интервал рабочих магнитных полей: —9 Тл + 9 Тл.
- Направление магнитного поля вертикальное.
- Однородность магнитного поля 0.01 % в цилиндрической зоне высотой 5,5 см и диаметром 1 см.
- Величина разрешения по полю 0,02 мТл в полях до 1 Тл и 0,2 мТл в полях до 9 Тл.
- Стабильность поля 1 ppm/час.
- Система стабилизации температуры
- Рабочий интервал температуры 1,9 К — 400 К .
- Погрешность измерения температуры не более 1 %.
- Точность поддержания заданной температуры: 0.2 % при температурах менее 10 К, 0.02 % при температурах более 10 К.
- Число термометров в камере образца: 3- шт.
- Возможность непрерывной работы при температуре < 4,2 К.
- Скорость развертки температуры: 0,01 К/мин — 6 К/мин.
- Опция измерения теплоемкости (HC):
- Температурный интервал
1.9-400 К. - Вес образца
1-500 г. - Разрешение 10 нДж/K @ 2 K.
- Встроенная система автоматически удаляет фоновую теплоемкость платформы для образца и клея.
- Температурный интервал
- Опция измерения намагниченности в переменном поле (ACMS):
- Рабочий интервал температуры 1,9 К — 350 К.
- Частота переменного магнитного поля от 10 до 10000 Гц.
- Амплитуда переменного магнитного поля от 2 мЭ до 10 Э.
- Чувствительность 2*10-8 emu.
- Так же данная опция позволяет измерять намагниченность в постоянном внешнем магнитном поле с чувствительностью от 2*10-5 до 5 emu.
- Опция измерения намагниченности в постоянном поле (VSM)
- Рабочий интервал температуры от 1,9 К.
- Величина магнитного поля ± 9 Т.
- Чувствительность
<10-6 emu или 0.5 %.
- Опции измерения транспортных свойств при постоянном (DR) и переменном (ACT) токе
- Рабочий интервал температуры 1,9 К — 400 К.
- Величина тока от 10 мкА до 2 А для переменного и от 5 нА до 5 мА для постоянного тока.
- Чувствительность 1 нВ для переменного и 20 нВ для постоянного тока.
- Частота переменного тока от 1 до 1000 Гц.
Настольный дифрактометр для фазового анализа Rigaku MiniFlex 600
Настольный дифрактометр Rigaku MiniFlex 600 является многофункциональным аналитическим инструментом в области порошковой дифрактометрии. Прибор позволяет проводить качественный и количественный анализы, определять степень кристалличности образца, размер кристаллитов и напряжения, уточнение параметров кристаллической решетки, молекулярной структуры и анализ методом Ритвельда (Rietveld). Все эти данные крайне важны и широко используются специалистами по всему миру во многих областях науки и исследованиях, в особенности материаловедении и химии, а также в промышленности и контроле качества.
Дифрактометр обеспечивает скорость и чувствительность с помощью инновационных технологических усовершенствований, таких как высокоскоростной D/teX детектор в сочетании с 600 Вт источником рентгеновского излучения.
Разнообразие аксессуаров для MiniFlex: рентгеновские трубки с различными анодами, держатели образца с функцией вращения и позиционирования, автозагрузчики позволяют решать задачи качественного и количественного анализа любой сложности.
Каждый дифрактометр MiniFlex поставляется с последней версией программного обеспечения PDXL 2. PDXL 2 — пакет программ с полным набором функций для обработки данных порошковой дифрактометрии, являющихся собственной разработкой компании Ригаку. Последняя версия PDXL 2 включает в себя несколько новых важных функций, в частности, метод Фундаментальных Параметров для более точного определения положения пика, автоматизированный качественный рентгенофазовый анализ с использованием открытой кристаллографической базы данных (COD) и пользовательский интерфейс для расшифровки структуры исходя из первых принципов (Ab initio).
Главные особенности:
- Мощность: 600 Вт.
- Радиус Гониометра 150 мм.
- Высокоскоростной линейный (1D) энергодисперсионный детектор D/teX Ultra 250 с высоким разрешением.
- Автоматический загрузчик образцов (6 позиций) c функцей вращения ASC-6.
- Прибор можно подключить к внешнему источнику охлаждения.
- Варьируемые щели на падающий пучок.
- Малые габариты и относительно малый вес прибора позволяют использовать его в полевых условиях.
Области применения:
- Качественный фазовый анализ;
- Количественный фазовый анализ;
- Определение степени кристалличности;
- Определение размера кристаллитов и уровня искажений кристаллической решетки;
- Уточнение параметров решетки;
- Уточнение структуры материала методом Ритвельда;
- Определение молекулярной структуры.
Список функций PDXL:
- Качественный фазовый анализ;
- Определение степени кристалличности;
- Уточнение параметров решетки;
- Индицировнаие;
- Расшифровка кристаллической структуры Ab initio;
- Количественный фазовый анализ;
- Определение размера кристаллитов и степени искажений кристаллической решетки;
- Полнопрофильный анализ;
- Уточнение струкутры методом Ритвельда.
VSM-250
В работе вибрационного магнитометра использован индукционно-непрерывный метод, основанный на взаимодействии магнитного поля колеблющегося образца с системой неподвижных катушек. Образец, находящийся в однородном магнитном поле, приводится в колебательные действия при помощи электродинамического вибратора. Проведения измерений гистерезисных свойств магнитных материалов происходит в разомкнутом магнитном потоке при комнатной температуре. Объектом исследований являются магнитотвердые материалы с полем технического насыщения до 1680 кА/м (21 кЭ). Измерения магнитных свойств на вибромагнитометре VSM-250 проводят на образцах правильной формы (шар, цилиндр) или на порошках, помещаемых в цилиндрические капсулы из немагнитного материала (медь).
Универсальный микроскоп Carl Zeiss Axio Scope A1
С помощью оптического микроскопа проводится исследование структуры металлов и сплавов с увеличением от 50 до 500 крат. Изучения шлифов, вырезанных из металлоизделия или заготовки образцов, поверхность которых шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами. Данный микроскоп может выполнять различные задачи и работать в нескольких режимах (светлое поле, темное поле, поляризация, фазовый контраст).
Уникальное оборудование Центра рентгеноструктурных исследований и диагностики материалов
- Мёссбауэровский спектрометр типа МС1104Ем с высокотемпературной приставкой. Мессбауэровский спектрометр МС1104Ем с источником 57Co (Cr) позволяет проводить исследования спектров ядерного гамма-резонанса на ионах железа. Диапазон скоростей ±80 мм/с, диапазон температур от минус 192 до 1000°С, нелинейность скорости не более ±0.05%, отклонение нулевой скорости не более ±3 мкм/с.
- Дифрактометр Rigaku SmartLab, Rigaku SmartLab — новейший дифрактометр высокого разрешения.
- Рентгенофлуоресцентный спектрометр с волновой дисперсией, мощной рентгеновской трубкой и двухконтурным охлаждением. Позволяет анализировать элементы от Be до U.
Уникальное оборудование Международной школы микроскопии
- Растровый электронный микроскоп JEOL JSM-6610LV Компактный многоцелевой РЭМ с предельной простотой управления и высоким качеством оптики.
- Просвечивающий электронный микроскоп JEM 1400 в аналитической конфигурации в Международной школе микроскопии.
Уникальное оборудование лаборатории биомедицинских материалов
- Комплект исследовательского оборудования для культивирования и сокультивирования клеток человека (Россия) — для культивирования клеточных линий человека, изучения токсичности наноматериалов, исследования распределения наноматериалов в различных компартментах клетки.
- Анализатор Malvern Zetasizer Nano ZS дзета-потенциал (Великобритания) — для изучения свойств наногибридных материалов, таких как размер и заряд.
- Комплекты исследовательского оборудования для синтеза наноматериалов (Европа, США) — для синтеза наноматериалов.
- Система визуализации клеток Evos (США) — для исследования локализации флуоресцентных соединений.