მაღალტექნოლოგიური მასალების ლაბორატორია

.

ლაბორატორიის გამგე - ფიზ.-მათ. მეცნ. დოქტორი ელგუჯა ჩაგელიშვილი

.

მაღალტექნოლოგიური მასალების ლაბორატორია სტრუქტურულად შედის აფეთქების ტექნოლოგიების განყოფილებაში.

მაღალტექნოლოგიური მასალების ლაბორატორია შეიქმნა 1973 წელს. მის ჩამოყალიბებაში უდიდესი წვლილი მიუძღვის ბატონ ელიზბარ მინდელს, რომლის ხელშეწყობით მოხდა ლაბორატორიაში ახალი მიმართულების განვითარება.

1979-1984 წლებში პერსონალურად აფეთქების მართვის ლაბორატორიისათვის აშენდა უნიკალური მიწისქვეშა ასაფეთქებელი ექსპერიმენტალური ბაზა /კამერა, რომლის ანალოგი არ არსებობს საქართველოსა და ამიერკავკასიის რეგიონებში. კამერის მიზანი იყო ცხლად აფეთქებით სალი შენადნობების განმტკიცებისათვის და ხელოვნური ალმასების სინთეზისათვის წარმოების შექმნა. უნდა აღინიშნოს ისიც, რომ 1975 წლიდან ინსტიტუტის საცდელ პოლიგონზე ამფეთქ კამერაში შექმნილი იქნა უნიკალური ნახევრადავტომატური რობოტი, რომელიც განაპირობებდა სხვადასხვა მასალის ცხლად აფეთქებით მიღება/დამუშავება/შედუღებას 20-1200°C ტემპერატურის ფარგლებში, აფეთქებით დამუშავების ინტენსივობით (წნევით) 20 გპა-მდე. აღნიშნული ექსპერიმენტალური რობოტი, რომელსაც ანალოგი არ მოეძებნებოდა ამ მიმართულებით მსოფლიო პრაქტიკაში, ფუნქციონირებდა მხოლოდ 2003 წლამდე.2009 წელს აშშ-ს შეიარაღებული ძალების ცენტრალურ საკვლევ ლაბორატორიასთან მიმდინარე საპარტნიორო საგრანტო პროექტის/კონტრაქტის ფარგლებში შეიქმნა პრინციპულად ახალი მასალების აფეთქებით დამუშავების საწარმოო დანადგარი, რომელმაც საშუალება მოგვცა არა მარტო მნიშვნელოვნად გაგვეზარდა მიღებული ნამზადების ზომები, არამედ გაგვეფართოვებინა დატვირთვის პარამეტრები. აღნიშნული დანადგარი საგრძნობლად ზრდის ამ მიმართულების განვითარების პერსპექტივას და ახალი მასალების წარმოების შესაძლებლობას.

1973 წლიდან ლაბორატორიაში შესრულებულია სამეცნიერო კვლევითი სამუშაოები მონოლითური და ფხვნილოვანი მასალების აფეთქებით დამუშავების პრაქტიკულად ყველა მიმართულებით:

1. განმტკიცების მოდელი - შემუშავებულია სალი შენადნობების განმტკიცების ახალი მოდელი და გამოკვლეულია ცხლად აფეთქებით დამუშავების შემდეგ მაკრო, მიკრო და სუბსტრუქტურაში მიმდინარე ცვლილებები, შესწავლილია განმტკიცებული სალი შენადნობების მექანიკური თვისებები (სიმტკიცის ზღვარი ღუნვაზე და კუმშვაზე), შესწავლილია ფიზიკური თვისებები (სიმკვრივე, კოერციტიული ძალა, მაგნიტური შეღწევადობა), დადგენილია და ახსნილია გაუმჯობესების მექანიზმი. მიღებული შედეგები გამოქვეყნებულია რეფერირებად & რეიტინგულ სამეცნიერო ლიტერატურაში და მოხსენიებულია საერთაშორისო კონფერენციებზე. აღნიშნულ თემატიკაზე დაცულია საკანდიდატო დისერტაცია 1981 წელს. შემსრულებლები იყვნენ: ე. მინდელი, ე. ჩაგელიშვილი, ა. ფეიქრიშვილი, ზ. მგელაძე, ა. ჩირიხჩიანი, მ. მეგრელიშვილი.

2. განმტკიცება - შემუშავებულია ტექნოლოგია და გამოკვლეულია განმტკიცებული ვოლფარმ-ნიკელ-რკინის ბაზაზე მძიმე და სალი შენადნობები ცხლად აფეთქებით დამუშავების შემდეგ. დადგენილია მაკრო, მიკრო და სუბსტრუქტურაში მიმდინარე ცვლილებები, შესწავლილია განმტკიცებული შენადნობების მექანიკური თვისებები (სიმტკიცის ზღვარი ღუნვაზე, სისალე, ფარდობითი წაგრძელება, ფარდობითი შევიწროვება), შესწავლილია შენადნობების ფიზიკური თვისებები (სიმკვრივე, კოერციტიული ძალა, მაგნიტური შეღწევადობა), დადგენილია და ახსნილია განმტკიცების მექანიზმი. მიღებული შედეგები გამოქვეყნებულია რეფერირებად&რეიტინგულ სამეცნიერო ლიტერატურაში და მოხსენიებულია საერთაშორისო კონფერენციებზე. შემსრულებლები იყვნენ: ლ. ჯაფარიძე, ე. ჩაგელიშვილი, ა. ფეიქრიშვილი, გ. გოცირიძე, ნ. ჩიხრაძე, ზ. ჩიკვილაძე.

3. აფეთქებით შედუღება - შემუშავებულია ტექნოლოგია და გამოკვლეულია აფეთქებით მიღებული ბიმეტალები: ფოლადი-თუჯი, სპილენძი-სპილენძი, სპილენძი-ფოლადი, ფოლადი-მაღალნახშირბადიანი ფოლადი, ფოლადი-ალუმინი. პირველი წყვილისაგან განსხვავებით, რომელიც შესრულებული იყო საბჭოთა კავშირის მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების კომიტეტის დაკვეთით, ყველა დანარჩენი ბიმეტალების მიღების სამუშაოები სრულდებოდა პირდაპირ საწარმოო მნიშვნელობით უწყვეტი ჩამოსხმის კრისტალიზატორების აღდგენის მიზნით (სპილენძი-სპილენძი, სპილენძი-ფოლადი) ქალაქების: რუსთავის, ჟდანოვის, ლიპეცკის და ნოვკუზნეცკის მეტალურგიულ კომბინატებში.
ფოლადი-ალუმინის ბიმეტალების მიღება ხდებოდა სამთო ინსტიტუტის ექსპედიციის ბაზაზე, მდ. იორის ხეობაში საქგაზთან არსებული სახელშეკრულებო კომერციული თემის საფუძველზე, რომლის მიზანი იყო ახალი ტიპის ბიმეტალური ანოდური დამმიწებლების ელექტროკონტაქტების წარმოება გაზისმიმწოდებელი მიწისქვეშა მილგაყვანილობებისათვის. აღნიშნული სამუშაოები დაწყებული იქნა 1975 წელს, ბატონების ელიზბარ მინდელისა და ელგუჯა ჩაგელიშვილის ხელმძღვანელობით. სამუშაოში მონაწილეობდენ: ვ. კაბულაშვილი, თ. მარდალეიშვილი, ა. ფეიქრიშვილი, ნ. თურმანიძე, ა. ჩირიხჩიანი, ა. მეტრეველი, მ. შუბითიძე, მ. მეგრელიშვილი, ხოლო 1980 წლიდან ფოლადი-ალუმინის ბიმეტალების მიღებაზე, იგივე შემსრულებლებთან ერთად, იყვნენ: თ. ფიფია და ნ. ჩიხრაძე.

4. აფეთქებით სინთეზი - შემუშავებულია ტექნოლოგია და მიღებულია სინთეზური ალმასი, როგორც თუჯებიდან, ასევე სპილენძი-გრაფიტი და ნიკელი-გრაფიტი საწყისი სარეაქციო მასებიდან. შესწავლილია გრაფიტი-ალმასის ფაზური გადასვლები ნეიტრონული დასხივებისა და შემდგომი აფეთქებით სინთეზის პირობებში. მიღებული ალმასის კრისტალები გამოირჩევიან სიმტკიცის მომატებული მაჩვენებლებით, სრულყოფილი გეომეტრიითა და გაზრდილი ზომებით. სამუშაოები მიმდინარეობდა 1976-1989 წწ.-ში, ბატონების ე. მინდელისა და ე. ჩაგელიშვილის ხელმძღვანელობით. აღნიშნულ თემატიკასთან დაკავშირებით გამოქვეყნებულია მრავალი ნაშრომი. შემსრულებლები იყვნენ: ნ. თურმანიძე, მ. წიკლაური, თ. მარდალეიშვილი, მ. მაისურაძე, მ. მეგრელიშვილი.

5. აფეთქებით დაწნეხა - შემუშავებულია ტექნოლოგია და მიღებულია ახალი კომპოზიციური ცილინდრული, გრძელტანიანი ნამზადები სხვადასხვა ფხვნილოვანი კაზმებისაგან, მრავალი დანიშნულებით: მაღალგამდიდრებული იზოტოპური 10B4C ბაზაზე დამზადებულია ცილინდრული მრავალფენიანი კონტეინერი რადიაციული ნარჩენების და ბირთვული საწვავის შესანახად / გადასატანად; დაწნეხილია ვოლფრამი-ნიკელი-რკინის შემცველი მძიმე შენადნობები ბალისტიკაში ჯავშანგამტანი ყუმბარების მუშათავებისათვის; დაწნეხილია ალმასისშემცველი სალი შენადნობები ცვეთამედეგი ზედაპირებისა და შენადნობების წარმოებისათვის; დაწნეხილია და მიღებულია დანაფარები ვოლფრამის კარბიდისა და ვოლფრამის ბაზაზე ფოლადის ცილინდრული ნამზადების შიდა ზედაპირებზე გარდამავალი ფენის წარმოქმნა/ფორმირებით მთელ სიგრძეზე; დაწნეხილია საწარმოო მნიშვნელობის ნამზადები ნიკელ-ალუმინის ინტერმეტალური ნაერთების ბაზაზე, როგორც სუფთა სახით, ასევე ვოლფრამის კარბიდთან ერთად კომპოზიციაში; პირველად დაწნეხილია ნანოსტრუქტურული სპილენძი-ვოლფრამის კომპოზიციის ნამზადები გაუმჯობესებული ელექტრული თვისებებით. შესწავლილია წნეხვის მექანიზმი და შექმნილია სპეციალური ვიბრო და სტატიკური დანადგარი/მოწყობილობები წინასწარი დაწნეხვისათვის, რაც საბოლოო ჯამში უზრუნველყოფს უდეფექტო ნამზადების მიღებას. დაწნეხილია სუფთა ნანოკრისტალური ვოლფრამის ცილინდრული ნამზადები თეორიული სიმკვრივის მახლობლობაში. აღნიშნული სამუშაოები დაწყებულია ჯერ კიდევ 1975 წელს ბატონების ე. ჩაგელიშვილისა და ზ. მგელაძის მიერ და ჩატარებულია საცდელი ექსპერიმენტები ვოლფრამის კარბიდი-კობალტის კომპოზიციის ფხვნილებზე. შედეგად გამოვლინდა სალი შენადნობების დაწნეხვის შესაძლებლობა. მოგვიანებით, 1979 წლიდან ამ მიმართულებით სამუშაოები გაგრძელდა ა. ფეიქრიშვილის ხელმძღვანელობით. დაცული იქნა ორი საკანდიდატო დისერტაცია ნ. ჩიხრაძისა და მ. წიკლაურის მიერ. დაცულია ასევე ორი სამაგისტრო ნაშრომი ბ. გოდიბაძისა და ვ. ფეიქრიშვილიის მიერ. მთლიანობაში ამ მიმართულებით სხვადასხვა დროს კვლევები ჩატარებული აქვთ: ე. ჩაგელიშვილს, ზ. მგელაძეს, ა. ფეიქრიშვილს, ლ. ჯაფარიძეს, ა. ჩირიხჩიანს, ა. მეტრეველს, ნ. ჩიხრაძეს, ზ. ჩიკვილაძეს, მ. წიკლაურს და ბ. გოდიბაძეს.

თანამედროვე პირობებში მსოფლიოს თითქმის ყველა განვითარებულ ქვეყანაში დიდ ინტერეს იწვევს ნანოსტრუქტურული ფხვნილების მიღება და მათგან ნამზადის წარმოება. ეს გამოწვეულია იმ შესაძლებლობით, რაც გააჩნია ნანოსტრუქტურულ ფხვნილებს. სათანადო ტექნოლოგიის შემუშავების პირობებში შესაძლებელი გახდება მიღებული იქნას მაღალი სიმტკიცის, ცვეთა და კოროზიამედეგობის, ნაკლები ტოქსიკურობის და ყველა იმ დადებითი თვისებების მქონე მასალები, რომლებიც ასე აუცილებელია თანამედროვე მეცნიერების, ტექნიკისა და მრეწველობისათვის.

ნანოკრისტალური ფხვნილებისაგან მიღებული ნიმუშების მექანიკური თვისებების ექსპერიმენტალური შესწავლა აჩვენებს, რომ ეს ულტრა წვრილმარცვლოვანი მასალები ფუნდამენტალურად განსხვავდება მათი ნორმალური, მსხვილმარცვლოვანი კომპოზიციებისაგან. ამ მასალებს, ხშირად, აქვთ ძალზე უჩვეულო თვისებები: ზესისალე, მაღალი ცვეთამედეგობა. გააჩნიათ სიმტკიცისა და პლასტიკურობის იდეალური შეხამება და ხასიათდებიან ზეპლასტიკურობით. დამატებით, უნდა აღინიშნოს, რომ როდესაც საშუალო მარცვლის ზომა მცირეა, ან უტოლდება ხილული სინათლის ტალღის სიგრძეს, მასალებს უჩნდებათ უნიკალური ოპტიკური, თერმული, ელექტრული და მაგნიტური თვისებები. ამგვარად, მარცვლის ზომის შემცირება და მარცვლებში დეფექტების სუბსტრუქტურის ერთდროული კონტროლი, როგორც ჩანს, უნდა იყოს ამ მასალების თვისებების გაუმჯობესების გარანტირებული გზა.

გრიგოლ წულუკიძის სამთო ინსტიტუტში უკვე არსებობს საკმაო სამეცნიერო შედეგები და გამოცდილება მსგავსი პრობლემების გადაწყვეტისა. იდეა მდგომარეობს იმაში, რომ ნიმუშების გაცხელება ხდება სწრაფად და შემდგომი აფეთქებით დაწნეხა ცხელ მდგომარეობაში, 800-1100 0C ტემპერატურის ინტერვალში, დატვირთვის ინტენსივობით 5-30 გპა. ფხვნილების და შენადნობების გახურება აფეთქებით დატვირთვის წინ იწვევს მათი პლასტიკურობის გაზრდას და როგორც შედეგი დენადობას აფეთქებით დაწნეხვის დროს. ადგილი აქვს მარცვალთშორისი საზღვრების, მყარი ხსნარების, გარდამავალი ფენების (მონოლითური შენადნობების შეერთებისას) და სხვა თავისებურებების ჩამოყალიბებას. ექსპერიმენტალური ნაწილის ძირითადი ღერძი კვლევებში არის ავტომატური რობოტი, შექმნილი სამთო ინსტიტუტში. ეს მოწყობილობა საშუალებას იძლევა აფეთქებით დავწნეხოთ და დავამუშაოთ ნიმუშები ცხელ მდგომარეობაში 800-1100 0C ტემპერატურებზე, 5-30 გპა ინტენსიურობის დატვირთვისას. შემოთავაზებული არატრადიციული მიდგომის ტექნოლოგიური სიახლე მდგომარეობს საწყის მასალად ნანოსტრუქტურული ფხვნილების გამოყენებაში და ცხლად დაწნეხის პროცესის ორ საფეხურად შესრულებაში:

ა) პირველ საფეხურზე, საწყისი სიმკვრივის გასაზრდელად და მარცვლების ზედაპირების აქტივაციისათვის, საწყისი ფხვნილების აფეთქებით დაწნეხა ხორციელდება ოთახის ტემპერატურაზე. დატვირთვის ინტენსიურობით 5-20 გპა.

ბ) მეორე საფეხურზე იგივე წინასწარ დაწნეხილი ცილინდრული ნიმუშები განმეორებით იწნეხება (კომპაქტირდება) აფეთქებით, დარტყმითი ტალღების ინტენსიურობით 5-10გპა-მდე, მაგრამ ამჯერად უკვე ცხელ მდგომარეობაში 800-1100 0C ტემპერატურის ფარგლებში.
მაღალტექნოლოგიური მასალების ლაბორატორიაში დაარსებიდან დღემდე მომზადებული და დაცულია 7 საკანდიდატო, 2 სადოქტორო და 1 სამაგისტრო დისერტაცია.

ძირითადი სამეცნიერო მიმართულებები:

• აფეთქებით შედუღებით სხვადასხვა გვაროვანი მასალებისაგან ბიმეტალური და მრავალფენიანი მასალების მიღება;
• რადიაციული ნარჩენების შესანახად ახალი ცილინდრული ტიპის კონტეინერების დამზადება აფეთქების ენერგიის გამოყენებით;
• მძიმე შენადნობებისაგან ნანო ვოლფრამის ბაზაზე ახალი კომპოზიციური მასალების მიღების ტექნოლოგიის დამუშავება;
• საწყისი მაღალი ტემპერატურის პირობებში, დარტყმითი ტალღების მეშვეობით, ახალი მასალების სინთეზი;
• სპილენძით პლაკირებული ანტიფრიქციული და ანტირადიაციული კომპოზიციური მასალების მიღება;
• ნანო ფხვნილების კომპაქტირება საწყისი მაღალი ტემპერატურის და დარტყმითი ტალღების ერთდროული მოქმედების გამოყენებით;
• ცხლად აფეთქებით ზესალი მასალების მიღება, განტკიცება.

ექსპერიმენტული ბაზა:

ინსტიტუტს გააჩნია უნიკალური მიწისქვეშა ამფეთქი კამერა, სადაც დამონტაჟებულია ნიმუშების გამაცხელებელი დანადგარი. ის საშუალებას იძლევა წინასწარ მაღალ ტემპერატურაზე გაცხელებული ნიმუში დამუშავდეს საჭირო ინტენსივობის დარტყმითი ტალღით. 

სახელშეკრულებო სამუშაოები:

• კონტრაქტი №13-18/06 უკრაინის სამეცნიერო ტექნიკურ ცენტრთან (№P538 “Novel Heat Resistant Coatings for Industrial Applications”, გრანტის ნაწილი) - 2013 წ.

კომერციალიზაციისათვის მომზადებული სამუშაოები:

• ბიმეტალური ელექტროკონტაქტები;
• კონტეინერი რადიაციული ნარჩენებისათვის;
• ნანოვოლფრამისა და სპილენძის ფხვნილისაგან კომპოზიციური მასალის მიღება;
• Ni-Al შენადნობი.

სამეცნიერო საგრანტო პროექტები:

1. №A-2123 "Cu-W ნანომასალების წვით სინთეზი და დახასიათება” (1.01.2015–31.12.2016), დამფინანსებელი: საერთაშორისო სამეცნიერო-ტექნიკური ცენტრი (ISTC);
2. №P552 „ახალი ნანოსტრუქტურული Cu-Ta და Ag-Ta კომპოზიტების დამზადება გაუმჯობესებული ელექტრონული და სიმტკიცის მახასიათებლებით“ (1.10.2013-1.10.2015), დამფინანსებელი: მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ცენტრი უკრაინაში (STCU) და აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტი (DOE).
3. №31/78 "სპილენძ-გრაფიტის ბაზაზე დამუშავდეს ანტიფრიქციული და ახალი ტიპის ელექტრული მასალების მიღების ინოვაციური ტექნოლოგია” (24.04.2013-24.04.2015), დამფინანსებელი: შოთა რუსთაველის ეროვნული სამეცნიერო ფონდი.
4. P506 "ახალი მრავალფენიანი ცილინდრული კონტეინერის შემუშავება ბირთვული ნარჩენების და ბირთვული საწვავის შენახვისათვის” (1.03.2013-1.03.2015), დამფინანსებელი: მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ცენტრი უკრაინაში (STCU) და აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტი (DOE). 
5. №491 "ქვანახშირის შახტებში მეთანის აფეთქებისას ხალხის დამცავი ავტომატური სისტემა” (2009-2012), დამფინანსებელი: საქართველოს ეროვნული სამეცნიერო ფონდი.
6. №P446 "ახალი ნანო W-Cu კომპოზიტების შექმნა გაუმჯობესებული ელექტრული თვისებებით აფეთქებით ცხელ მდგომარეობაში" (1.10.2010-1.10.2011), დამფინანსებელი: მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ცენტრი უკრაინაში (STCU) და აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტი (DOE). 
7. №4996 "Si-Ge-ის ნანოსტრუქტურული შენადნობების მიღება აფეთქებით კომპაქტირების ტექნოლოგიით და მის ფუძეზე ენერგოეფექტური თერმოელექტრული ბატარეის შექმნა" (2009-2011), დამფინანსებელი: საქართველოს ეროვნული სამეცნიერო ფონდი (სესფ) & მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ცენტრის უკრაინაში (STCU).
8. CIS/10/0004/CNTR "ბიმეტალური ელექტროკონტაქტების საწარმოო ტექნოლოგია" (2009-2010), დამფინანსებელი: დახურული ბირთული ცენტრების ბრიტანეთის პროგრამა (CNCP).
9. BPG#03/09 "აფეთქებით შედუღების მეთოდით ანოდური დამმიწებლებისათვის ბიმეტალური ელექტროკონტაქტების დამზადება" (2009), დამფინანსებელი: აშშ-ს სამოქალაქო კვლევების ფონდი/საქართველოს ეროვნული სამეცნიერო ფონდი/საქართველოს სამეცნიერო-ტექნოლოგიური ფონდი - მეცნიერებისა და ტექნოლოგიის სამეწარმეო პროგრამა (STEP).

პერსონალი