Одни из самых чувствительных датчиков в мире: ИФТТ РАН и высокочувствительные датчики деформации

В Институте физики твердого тела РАН разрабатывают высокочувствительные датчики деформации на базе аморфных микропроводов.

Черноголовка, 23.11.2023 – Дом ученых НЦЧ РАН

 Измерение напряжений и деформаций является одной из ключевых технологических задач современности. Лучшие датчики деформации позволяют достичь точности измерения порядка 1 мкм/м и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками. Такие датчики, в частности, используются для измерения деформации дорожных покрытий, фасадов зданий и несущих конструкций.

Сегодня важным вопросом является повышение точности датчиков, а также  снижение их стоимости. Возможное решение этой проблемы — подбор новых типов материалов, например, аморфных сплавов [1] на основе железа. Обладая хорошими механическими характеристиками, они обладают широким спектром магнитных свойств, которые влияют на их напряженно-деформированное состояние. Научная группа ИФТТ РАН [2] занимается исследованием магнитной структуры и магнитных свойств аморфных микропроводов [3], а также изучением процессов кристаллизации таких объектов. 

Рис. 1 – Микрофотография аморфного микропровода в стеклянной оболочке

«Исходя из анализа полученных нами данных, следует, что точность измерения деформации в таких датчиках  может достигать 0,1 мкм/м или ниже, также в таких проводах радиационные дефекты слабо сказываются на свойствах материала. Это позволяет создавать и использовать датчики на основе аморфных микропроводов в средах, содержащих ионизирующее излучение, — говорит Олег Аксенов, научный сотрудник Лаборатории структурных исследований ИФТТ РАН. — Существуют попытки создания датчиков напряжения на основе аморфных микропроводов, но описанные в рамках патентов устройства имеют ряд недостатков (сложность измерения локальных механических нагрузок, высокие погрешности измерения, чувствительность к внешним полям и т.д.). Задача нашей команды в ИФТТ – устранить данные недостатки и увеличить чувствительность таких устройств».

В 2022 году команда ученых ИФТТ  получила поддержку Фонда содействия инноваций. В результате работы был разработан прототип датчика деформации с точностью измерения деформации 0,01 мкм/м. На данный момент такие датчики являются одними из наиболее чувствительных датчиков деформации в мире, более того, они одни  из самых дешевых в данном классе (стоимость производства такого датчика не превышает 1000 рублей).

Рис. 2 – Прототип разработанного датчика деформация

В этом году исследования лаборатории получили поддержку губернатора Московской области. В дальнейших планах команды выпустить действующий образец датчика деформации на рынок. Также в последнее время группа получила много новых результатов, которые способствуют усовершенствованию технологии. Лаборатория структурных исследований ИФТТ РАН будет продолжать исследования в этом направлении. Данные результаты также могут стать основой для построения коммерческих устройств и расширят знания о взаимосвязи между структурой и свойствами аморфных ферромагнетиков [4].

Примечания 

1. Аморфные сплавы — сплавы,которые имеют «аморфную» атомную структуру, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях и не имеют определённой точки плавления. Свойства аморфных сплавов  превосходят свойства обычных металлов, структурой которых является кристаллическая решетка. 
2. Научная группа: к.ф.-м.н. Аксенов Олег Игоревич (научный сотрудник), Фукс Артем Андреевич (аспирант, младший научный сотрудник), Волков Никита Андреевич (инженер 1-й категории), д.ф.-м.н. Аронин Александр Семенович (научный руководитель) – сотрудники Лаборатории структурных исследований ИФТТ РАН.
3. Аморфные провода — тонкие металлические провода из специальных аморфных сплавов диаметром 5 — 150 мкм, отличающиеся высокой прочностью, сверхупругостью, биосовместимостью, коррозионной стойкостью, магнитной и сенсорной чувствительностью.
4. Ферромагнетики — вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. 

Олег Аксенов, Анна Дацюк