Фундаментальные исследования перспективных многофункциональных сплавов: структура, физико- механические и теплофизические свойства

На сегодняшний день интенсивно возрастающий интерес научного сообщества обращен на исследование и развитие высокопроизводительных материалов нового поколения, обладающих многофункциональными свойствами. В данных материалах контролируемым образом возможно реализовать существенное изменение одного и более свойств в ответ на изменения внешних условий окружающей среды (например, изменение внешней нагрузки, температуры, электрического и магнитного поля и др.). Следует отметить, что изменение свойств является обратимым и может неоднократно воспроизводиться при циклическом воздействии внешней среды. К характерным особенностям функциональных материалов можно отнести сильную взаимосвязь между упругими, магнитными, электрическими и другими физическими свойствами, выполнение нескольких функций материалов одновременно, способность преобразовывать один вид энергии в другой, а также возможность управления этим преобразованием энергии. Перечисленный спектр особенностей функциональных материалов указывают на их огромный потенциал и широкое применение в различных отраслях производства и промышленности. Крайне важной и актуальной задачей современного материаловедения является углубленное исследование свойств материалов на микроскопическом уровне с целью выявления природы понимания процессов и механизмов, протекающих в материалах при внешнем воздействии (температура, магнитное поле, давление). Выполнение данной задачи, в свою очередь, позволит решить проблему поиска материалов с приемлемыми механическими, магнитными и теплофизическими свойствами, а также решит вопрос их стабильности к процессам сегрегации.Данный проект является логическим продолжением Проекта 17-72-20022 по теоретическим исследованиям физико-механических и теплофизических свойств ряда функциональных сплавов, таких как тройные и многокомпонентные сплавы Гейслера различного состава, магнитострикционные и магнитокалорические сплавы. Характерной чертой исследуемых материалов является взаимосвязь между структурным и магнитным состояниями, управления которой можно достичь путем изменения композиции или изменением режимов термообработки. Исследования будут реализованы в рамках последовательного микроскопического подхода, учитывающего особенности электронной и кристаллической структуры, межатомных взаимодействий при нулевой температуре (первопринципный подход) и конечных температурах в рамках модельных спиновых гамильтонианов и метода Монте-Карло. В ходе реализации Проекта 2017 было показано, что свойства основного состояния исследуемых композиций, а также их стабильность могут существенно зависеть от композиционного состава, легирования, дефектности и приложенного давления несмотря на то, что преимущественно расчеты были выполнены на небольших модельных ячейках. Последнее не позволяло в должной мере сформировать беспорядок в силу ограничения возможных комбинаций. Тем не менее, остается ряд открытых вопросов, требующих подробного рассмотрения. В Проекте 2020 будет обращено внимание на реализацию квази-реального беспорядка и дефектности структуры как в первопринципных расчетах, так и в моделировании методом Монте-Карло, используя расчетные ячейки, состоящие из большего числа атомов. Будут рассмотрены температурно-зависимые параметры модельных гамильтонианов (обменные взаимодействия, магнитные моменты и др.). Будет обращено внимание на вопросы термодинамической устойчивости сплавов по отношению к сегрегации на стабильные компоненты. Отдельный вопрос коснётся предсказательной силы теории функционала плотности в рамках учета обменно-корреляционных эффектов за пределом приближения обобщенного градиента, т.е. способна ли теория достоверно предсказывать новые системы и свойства, или она пригодна лишь для репродуцирования известных из эксперимента данных. Поставленные задачи позволят абстрагироваться от идеальных модельных представлений и на шаг приблизиться к реальным системам. Таким образом, поставленные в Проекте 2020 исследования представляются актуальными в научном и прикладном отношениях и являются расширенным продолжением исследований Проекта 2017.