Научная школа  академика РАН

Цветкова Юрия Владимировича

 

Основное направление работ:     Физикохимия и технология плазменных

процессов в металлургии и обработке материалов.

 

 

Ю.В.Цветков специалист в области физикохимии и технологии конструкционных материалов, получаемых методами плазменной металлургии.
Член-корреспондент по Отделению физикохимии и технологии неорганических материалов (физикохимия и технология конструкционных материалов) с 31 марта 1994 г.

 

Заведующий лабораторией Плазменных процессов в металлургии  Института металлургии и материаловедения им.А.А.Байкова РАН

 

Тел/факс 095-135-4364

E-mail : tsvetkov@imet.ac.ru

 

 

 

Становление и развитие научной школы в области физикохимии и технологии плазменных процессов в металлургии и обработке материалов происходило под воздействием фундаментальный идей  выдающегося ученого–металлурга  академика Николая Николаевича Рыкалина (1903-1985), учеником и преемником которого является   нынешний руководитель школы.

Мировую известность академику Рыкалину принесла созданная им теория тепловых процессов при сварке, обобщенная в переведенных на иностранные языки  монографиях (1,2). Творческое применение методов прикладной математики и математической физики дало в руки теоретиков и практиков сварочного производства эффективный инструмент для прогнозирования и управления сварочным процессом и создания новых технологий с применением плазменно-дугового разряда. Основные положения этой теории, творчески развитой Рыкалиным и его учениками, явились основой для теоретических разработок и практического осуществления процессов, основанных на воздействии высококонцентрированных источников энергии  (термическая плазма, электронный луч, луч лазера, ионные потоки и  т.п.)  на вещество.

Соответствующие научные ячейки были созданы под непосредственным или идейным   руководством академика Рыкалина. Значительную роль в идейной консолидации  ученых, работающих в области воздействия высококонцентрированных источников энергии на вещество, сыграл и созданный академиком Рыкалиным академический журнал «Физика и химия обработки материалов», научные семинары и конференции в сочетании с многочисленными контактами с зарубежными исследователями. Далеко не последнюю  роль в обеспечении научного роста учеников Рыкалина сыграла его научная щедрость как человека, ученого и  учителя, проявляющаяся как в предоставлении административной (путем создания самостоятельных лабораторий и секторов на базе персонально им руководимой), так и особенно обеспечения научной самостоятельности. Так,  Ю.В.Цветковым в 1980 г. совместно с его учеником С.А.Панфиловым (ныне профессором и доктором наук, руководителем лаборатории в Гинцветмете ) была опубликована монография «Низкотемпературная плазма в процессах восстановления»,  заложившая основы  ключевых направлений настоящей  школы и основных принципов методологии изучения плазменных процессов. Естественно, после  кончины академика Рыкалина возникла необходимость определенной концентрации усилий на плазменнометаллургических процессах, основанных на воздействии термической            плазмы, и особенно при сужении территориальной базы реализации плазменных процессов вследствие  распада СССР. Дело в том,  что уже в семидесятые и восьмидесятые годы возникла школа Цветкова Ю.В., объединяющая его учеников и соратников, как на территории нынешней Российской Федерации, так и в ряде союзных республик,  осуществляющая практическую реализацию процессов плазменного восстановления и синтеза в Прибалтике, Средней Азии и Казахстане. В качестве примера можно привести осуществленный в Узбекистане цикл исследований физико-химических и технологических свойств высокодисперсных порошков вольфрама и молибдена, обобщенный в одноименной монографии (4), и особенно практическая реализация на Узбекском комбинате тугоплавких и жаропрочных металлов (г.Чирчик)  созданной впервые в мире технологии и аппаратурного оформления плазменно-водородного восстановления оксидов вольфрама. При этом помимо резкого повышения производительности и повышения эксплуатационных свойств, полученных из производимых на плазменной установке высокодисперсных порошков, отмечалось снижение  энергозатрат как на собственно процесс восстановления, так и на последующие переделы. Таким образом, было сформулировано положение, в значительной степени определяющее перспективы плазменной металлургии в целом - при оптимальном конструктивно-технологическом оформлении плазменные процессы  являются энерго- и ресурсосберегающими при обеспечении совместимости с окружающей средой. Следует отметить, что это положение было неоднократно подтверждено на ряде процессов как порошковой металлургии, так и при воздействии плазменных разрядов на металлургические расплавы.

Среди основных достижений научной школы Ю.В.Цветкова, осуществленных преимущественно на рубеже ХХ и ХХ1  веков, можно выделить следующие.

1. На основе систематических исследований термодинамики, кинетики и механизма восстановления оксидных систем при использовании современных методов исследования топохимических реакций, положений гетерогенного катализа, теории абсолютных скоростей реакций, создана получившая общее признание  теория процессов восстановления  металлов в различных агрегатных состояниях, в том числе при  воздействии потоков  термической плазмы.

2. Разработана методология исследования плазменных процессов, основанная  на высокотемпературном термодинамическом анализе, математическом моделировании  и экспериментальных кинетических исследованиях на специально разработанной аппаратуре.

3. Для струйно-плазменных процессов выявлена определяющая роль процессов тепломассообмена между термической плазмой и  распределенным  в плазменном потоке диспергированным обрабатываемым веществом  и его перехода в газовую фазу, т.е. степени гомогенизации процесса.

4.  С помощью разработанного метода высокотемпературной масс-спектрометрии исследовано испарение и диссоциация оксидов практически всех элементов периодической системы. Результаты обобщены в соответствии с положением элементов в Периодической системе Д.И.Менделеева.

5.   Проведен цикл исследования испарения сложных оксидных систем  на примере вольфраматов и молибдатов щелочных  металлов.

6.   Впервые в мировой практике реализованы промышленные процессы водородного восстановления оксидов тугоплавких металлов и плазменной восстановительной плавки оксидов группы железа. Процессы отличаются энерго- и ресурсосбережением, получением продуктов с особыми эксплуатационными свойствами и совместимостью с окружающей средой.

Следует отметить, что в процессе разработки теоретических основ  и оптимального конструктивно- технологического оформления реализуемых процессов было защищено семь кандидатских и две докторские диссертации.

7.   Исследован ряд плазмохимических процессов получения ультрадисперсных порошков металлов и химсоединений (оксидов, нитридов, карбидов, карбонитридов). Установлены термодинамические и кинетические закономерности  и управляющие параметры, обеспечивающие получение порошков заданного химсостава, морфологии и размеров.

8.  Опробован ряд процессов при воздействии термической плазмы на газовые среды, расплавы и растворы, в том числе применительно к процессам переработки техногенного сырья. Особо можно отметить процессы, имеющие прикладное значение - плазменно-каталитический риформинг углеводородного сырья  для получения водорода и плазменную деструкцию органических примесей в сточных водах.

9. Применительно к процессам плазменной обработки следует отметить создание на базе фундаментальных исследований взаимодействия с веществом высокочастотного разряда пониженного давления  новых эффективных плазменных технологий и разработку с помощью плазменного напыления эффективных титановых имплантантов.

В качестве конкретных примеров в этом направлении следует отметить получение плазменным напылением магнитномягких   покрытий с аморфной структурой, экранирующих электромагнитное излучение, опробованных в специализированных организациях в ряде изделий (гироскоп, блок коммутации связи, электронных схемах и т.п.), не имеющих мировых аналогов композитов на основе алюминия и борного волокна для авиакосмической техники, технология и оборудование для получения  трехмерных капиллярно-пористых покрытий, предназначенных для внутрикостных имплантантов. Последняя работа была обсуждена и одобрена на 13 Всемирном конгрессе ортопедов. Произведенные по разработанной технологии тазобедренные имплантанты успешно проходят клинические испытания.  Оригинальность разработок нашла подтверждение в ряде авторских свидетельств и патентов (например Способ получения покрытий. Патент России  № 2146302.2000 г.).

10. Сформулирована концепции металлургии будущего, основанная на создании по модульному принципу экологически чистого энергометаллургического комплекса, объединяющего на базе плазменной техники производство энергии и химико-металлургическое производство металлов, сплавов и соединений из природного и техногенного сырья. При этом, обеспечивается значительное снижение энергозатрат  по сравнению с традиционными и альтернативными способами производства стали.

Результаты выполненных исследований опубликованы в  монографиях  (3, 4, 5, 6) и ряде оригинальных и обзорных статей. 

Основные положения разработанной теории плазменных процессов обсуждены и получили признание на международных и отечественных научных  конференциях.

О признании в российском и мировом масштабе свидетельствует высокая оценка выступлений руководителя и участников школы на Менделеевских съездах, специализированных конференциях по наносистемам и общим проблемам наук о материалах, международных  симпозиумах по плазмохимии, проводимых ИЮПАК ( пример -  заказной основной пленарный доклад Цветкова Ю.В.                 на 14 симпозиуме …   семинарах), ряде других представительных совещаниях, в том числе на всемирном конгрессе врачей-ортопедов.

 

Основной костяк коллектива школы, отличающийся  высочайшей квалификацией в области теории и практики плазменных процессов в металлургии и обработке материалов, сохранился и успешно работает в течение последних 5-7 лет. В нем представлены все возрастные категории исследователей. Особенно отрадно наличие среднего возрастного звена, обеспечивающее преемственность. Такие сотрудники, как А.А.Самохин, А.А.Николаев,  созрели для самостоятельной работы (подготовки докторской диссертации, руководства самостоятельной тематикой и занятие административных должностей ).

В коллективе функционирует филиал кафедры «Высокотемпературных материалов и алмазов» Московского  института стали и сплавов, что дает возможность привлекать к исследовательской работе студентов старших курсов и дипломников.

Как и ранее, для школы характерно привлечение к совместной научной деятельности исследователей из других организаций и городов. Типичным примером является созданный в Казанском технологическом университете  коллектив  при научном кураторстве профессора Кудинова  В.В., успешно развивающий  вопросы теории и практического применения ВЧ-плазменного разряда пониженного давления.

В 2003 году  были подготовлены и защищены докторские диссертации -  Наилем Файковичем Кашаповым (г.Казань ) и Михаилом Петровичем Лебедевым (г.Якутск). Подготавливаются к защите  докторские диссертации -  к.ф.-м. наук Желтухиным В.С. и Шаеховым М.Д. 

Коллектив школы активно работает над  привлечением дополнительных средств  по различным грантам и контрактам Систематически коллектив имеет гранты РФФИ, Госконтракты с Минпромнаукой, с Московским комитетом по науке и технологиям, хоздоговора с промышленными предприятиями, включая аэрокосмические и организации Минатома. В предыдущие годы привлекались средства фондов  РФТР и  РФФИ для поддержки молодых ученых. В 2003г. имели место работы по программе фундаментальных исследований  Президиума РАН, отделений химии и наук о материалах и энергетики. Члены коллектива участвуют в программе МНТЦ, контракте с фирмой АРIT   (Франция), сотрудничают с Массачусетским технологическим институтом  (США).

 

Ближайшие задачи  коллектива школы.

 

Основной фундаментальной задачей  является совершенствование теории процессов взаимодействия термической плазмы с веществом в различном агрегатном состоянии (газа, распределенные в плазменных потоках дисперсные материалы, растворы, расплавы ). При этом наряду со стремлением более полного и корректного раскрытия механизма процессов особое внимание уделяется возможности на базе теоретических представлений и отвечающих им математическим и физическим моделям прогнозирование и управление плазменными  процессами с целью обеспечения при минимальных энергетических и ресурсных затратах  получение продуктов с заданными свойствами. Значительное внимание в исследованиях уделяется плазменной порошковой металлургии, преимущественно процессам плазменного восстановления  и синтеза,  в том числе, перспективным способам получения наноматериалов. В целом следует отметить, что проводимые исследования вполне отвечают наиболее перспективным научным направлениям, признанным в России и мире. Общепризнано, что в области получения нанопорошков методами плазмохимии школа Ю.В.Цветкова по праву занимает ведущее место, что стимулировало развитие данного раздела нанотехнологий  как  в республиках ближнего зарубежья, так и в   передовых и развивающихся странах. Примеры определенного заимствования методологии и техники наших разработок представлены, в частности, в трудах ХУI Международного симпозиума  по плазмохимии (Италия -2003). Конкретно  планируется отработка  технологии синтеза нанопорошков при использовании плазменного процесса  водородного восстановления  оксида вольфрама. Для повышения экспериментального уровня исследований  планируется разработка и создание экспериментального испытательного стенда с автоматизированной системой управления  для исследования широкого класса  процессов плазменного  синтеза  наноматериалов, окисления  органических примесей в сточных водах, генерации  водородсодержащих газов из углеводородного сырья.

В направлении изучения воздействия термической плазмы на вещество предполагается исследование окисления фенола в водном растворе  при истечении  струи  термической плазмы с идентификацией продуктов реакций, экспериментальная оценка влияния основных параметров процессов (энтальпия и состав плазменной струи, температура раствора) на  кинетику реакций.

Относительно более далекого прошлого, представляется целесообразным  напомнить, что первые технологические дуговые плазмотроны,  как, впрочем, и работоспособные ВЧ- металлургические плазмотроны, были созданы в лаборатории, руководимой академиком Рыкалиным. Среди основных авторов этих разработок активный член коллектива школы  - профессор Николаев А.В.

Ближайшими задачами коллектива в области плазменной обработки материалов преимущественно при использовании процессов плазменного напыления  является  экспериментальная проверка теоретической модели  формирования трехмерных капиллярно-пористых покрытий плазменным напылением, разработка технологии  формирования композиционных нанокристаллических биоактивных керамических покрытий на поверхности внутрикостных имплантантов, исследования формирования плазменным напылением керамических материалов для создания инертных анодов для алюминиевых электролизеров. Практическое значение последней работы при успешном решении не требует комментариев. Будет продолжен цикл исследований испарения и диссоциации сложных оксидных систем на примере вольфраматов и молибдатов щелочно-земельных металлов.

В направлении создания энерго-и ресурсосберегающих экологически чистых производств  переработки  нетрадиционного и техногенного сырья  с получением металлопродуктов на основе использования  плазменного  модуля энерготехнологического комплекса  планируется провести теоретические и экспериментальные исследования  по созданию технологии и аппаратуры  для переработки нетрадиционного и техногенного сырья (дисперсные оксидные и металлические материалы, пылевидные отходы и шламы металлургического производства, техногенная и бытовая биомасса) в условиях сверхвысокой энергонапряженности   плазменного модуля энергометаллургического комплекса.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

 

1. Н.Н.Рыкалин. Тепловые основы сварки, ч.1. Изд. АН СССР, 1947, 271 с.

2. Н.Н.Рыкалин. Расчеты тепловых процессов при сварке. М., Машгиз, 1951, 296 с.

3.  Ю.В.Цветков, С.А.Панфилов. Низкотемпературная плазма в процессах     восстановления. М.,  Наука, 1980. 360 с.

4. Р.У.Каламазов,  Ю.В.Цветков, А.А.Кальков. Высокодисперсные порошки вольфрама и молибдена. М., Металлургия, 1988. 193 с.                  

5. Ю.В.Цветков,  А.В.Николаев, С.А.Панфилов. Плазменная металлургия. Новосибирск, Наука, 1992. 265 с.

6.В.В.Кудинов, Г.В.Бобров. Нанесение покрытий распылением. Теория, технология и оборудование. М., Металлургия, 1992, 432 с.

7. Е.К.Казенас, Ю.В.Цветков. Испарение оксидов. М., Наука, 1997, 543 с.

8. Ю.В.Цветков. Пути интенсификации процессов восстановления в свете адсорбционно-каталитических представлений. В кн.: Физическая химия окислов металлов. М., Наука, 1981, с.9-15.

9. Ю.В.Цветков. Особенности термодинамики и кинетики плазменно-металлургических процессов. В кн.: Физика и химия плазменных металлургических процессов. М., Наука, 1985.

10. Ю.В.Цветков. Водород в металлургии. В кн.: Атомно-водородная энергетика и технология. Энергоатомиздат, 1988. вып. № 8.

11. Lyakishev Yu.V., Tsvetkov Yu.V. et al. Problems of metallurgical plants of the future. Steel industry of Russia and CIS in the XXIst century. Moscow, 1994. pp.35-39.

12. Yu.V.Tsvetkov. Plasma processes in metallurgy. Thermal plasma and new materials technology. Cambridge. Interscience Publishing. Vol.2, 1995. Cambridge, England, pp.291-322.

13. Ю.В.Цветков, А.В.Николаев. Плазменные процессы в металлургии будущего (проблемы создания  энергометаллургического комплекса). Сталь, № 10, 1998, с.55-60.

14. Н.П.Лякишев, Ю.В.Цветков.  Железный век продолжается. Металлы Евразии, № 4, 1999, с.54-59.

15. Ю.В.Цветков. О создании экологически чистого энергометаллургического комплекса. Экология и промышленность России, № 5, 1999, с.11-15.

16. N.V.Alekseev, A.V.Samokhin, Yu.V.Tsvetkov. Synthesis of titanium carbonitride nanopowder by titanium tetrachloride treatment in hydrocarbon-air plasma. High energy chemistry, vol.33, No. 3, 1999, pp.194-197.

17. Yu.V.Tsvetkov/ Plasma metallurgy. Current state, problems and prospects. Pure and Applied Chemistry, Vol.71, No.10, pp.1853-1862, 1999.

18. Ю.В.Цветков. О влиянии адсорбционно-каталитической теории  Г.И.Чуфарова на развитие теоретической металлургии. Оксиды. Физико-химические свойстваю Екатеринбург, УрО РАН, 2000, с.9-12.

19. Н.В.Алексеев, А.В.Самохин, Ю.В.Цветков. Плазменно-каталитическая конверсия углеводородов. Химическая технология, 2001, с.7-11.

20. Ю.В.Цветков. Плазменная металлургия – перспективная технология XXI века. Металлы, 2001, № 5, с.24-31.

21. Н.В.Алексеев, А.В.Самохин, Ю.В.Цветков, А.Б.Гугняк, К.Н.Агафонов. Получение водородсодержащих газов неполным окислением пропана при воздействии электрического разряда в условиях «холодного старта» реактора. Химическая технология, 2002, № 7, с.11-13.

22. Н.В.Алексеев, А.В.Самохин, Е.В.Троицкая, Ю.В.Цветков. Термическая водяная конверсия углеводородов. Химическая технология, 2003, № 9, с.6-8.

23. И.Ш. Абдуллин, В.А.Алиев, В.В.Кудинов.  Переработка отходов битума ВЧЕ-плазмой с целью очистки окружающей среды и получения редкоземельных металлов.  Перспективные материалы,  №4 ,2003,с. 70-

24. В.И.Калита , Комлев Д.И. К вопросу формирования металлов в аморфном состоянии. Металлы,  №6,  2003, с.1-8.

25. Абдуллин И.Ш., Кашапов Н.Ф., Кудинов В.В. Изменение структуры и состава поверхности сталей и титановых  сплавов под действием высокочастотного разряда            низкого давления. Перспективные материалы 2000, № 1.

26. Абдуллин И.Ш., Кашапов Н.Ф., Кудинов В.В. Свойства и назначение покрытий,

       получаемых с помощью струйного ВЧ разряда низкого давления.

       Перспективные материалы 2000, № 4.

27. Калита В.И., Соколов В.Н., Парамонов В.А. Трехмерные капиллярно-пористые

       покрытия. Физика и химия обработки материалов, 2000, № 4, сс.55-61.

28.  Калита В.И. Физика и химия формирования биоинертных и биоактивных

       поверхностей на имплантантах. Обзор. Физика и химия обработки материалов,

       2000, № 5, сс.28-45.

29.  Абдуллин И.Ш., Кашапов Н.Ф., Кудинов В.В. Физико-механические свойства

       синтетических волокнистых материалов, обработанных ВЧ-плазмой пониженного

       давления. Технология металлов, 2001, № 2, сс.35-41.

30.  Абдуллин И.Ш., Кашапов Н.Ф., Кудинов В.В. Слой положительного заряда в

       процессе нанесения покрытий ВЧ-плазмой. Физика и химия обработки материалов,

       20001, № 6, сс.69-75.

31.   Калита В.И., Парамонов В.А. Структура и механические свойства трехмерных

      капиллярно-пористых титановых покрытий. ФХОМ, 2002, № 6, сс.37-41.