Posts Tagged: МИСИС

В перспективе новый подход позволит предприятиям эффективно вовлекать шламы в производство, экономя дополнительные средства и снижая экологическую нагрузку.

Современные металлургические заводы сталкиваются с ростом объёмов вторсырья — пылей, шламов и подобных материалов, которые пока являются отходами. Их накопление влечёт экономические издержки и риски для экологии. Традиционные методы утилизации зачастую не учитывают различия в химсоставе, что ограничивает вовлечение отходов в производство и приводит к потерям ценных компонентов, прежде всего железа и цинка. Для решения этой задачи эксперты НИТУ МИСИС усовершенствовали технологические комплексы на основе доменных и трубчатых печей, позволяющие эффективно перерабатывать отходы и возвращать их в производственный цикл. Подход позволяет разделять потоки материалов в зависимости от их состава: например, пыли с высоким содержанием цинка перерабатываются в трубчатой печи по технологии вельцевания, а богатые железом клинкер, шламы и окалина — в мини-доменной печи.

«Предложенные комплексы позволят предприятиям получать дополнительную прибыль с помощью переработки отходов. По нашим расчётам, финансовые вложения в доработку печей окупятся в течение нескольких лет, а затем начнут приносить стабильный доход. Внедрение таких комплексов обеспечит окупаемость инвестиций до 36%. Дополнительно снижается нагрузка на окружающую среду, так как миллионы тонн пылей и шламов перестают накапливаться в отвалах и повторно используются в производстве», — объяснил к.т.н. Айтбер Бижанов, ведущий эксперт кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСИС.

Комплексное использование агрегатов разного типа повышает эффективность переработки благодаря синергии: улучшается качество возгонов цинка, увеличивается извлечение железа и снижаются затраты на топливо. При реализации предлагаемых решений степень извлечения и цинка, и железа стремится к 100%. С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научном журнале «Проблемы чёрной металлургии и материаловедения» (Q2).

«Рациональный выбор технологий переработки может существенно увеличить вовлечение вторичных материалов в производство. В перспективе разработанные подходы позволят крупным металлургическим комбинатам повысить экономическую эффективность и при этом соответствовать современным требованиям в области охраны окружающей среды», — сказала к.т.н. Мария Ушакова, доцент кафедры бизнес-информатики и систем управления производством НИТУ МИСИС.

Материал перспективен для создания имплантатов суставов, деталей летательных аппаратов, средств индивидуальной защиты и спортивной экипировки.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) известен не только долговечностью и биосовместимостью, но и тем, что он достигает прочности, сравнимой с металлами, при рекордно малом весе. Однако создание высокофункциональных композитов из волокон полиэтилена остаётся сложной задачей: материал нельзя просто переплавить, он требует особых методов горячего прессования. Кроме того, композиты обычно состоят из двух разных компонентов — прочных волокон и связующей их матрицы. Часто именно граница между ними становится слабым звеном конструкции. В представленном материале и волокна, и матрица состоят из СВМПЭ. Такой подход не только решает проблему сцепления, но и делает материал пригодным для стопроцентной переработки.

«Ряд характеристик сверхвысокомолекулярного полиэтилена является рекордными среди всех материалов. Эксперты Центра композиционных материалов НИТУ МИСИС уже более 15 лет изучают структуру и свойства СВМПЭ, создают технологии переработки порошков и волокон в высокофункциональные изделия», — рассказал к.ф-м.н. Алексей Салимон, заведующий кафедрой кафедры физической химии, заместитель руководителя лаборатории ускоренных частиц НИТУ МИСИС.

Чтобы выяснить, как параметры обработки влияют на структуру и свойства композита, учёные лаборатории ускоренных частиц НИТУ МИСИС, Сколтеха, ОИЯИ, ИСПМ РАН, Университета «Сириус» и ФНЦГ им. Ф.Ф. Эрисмана изготовили образцы СВМПЭ при разных условиях и провели серию механических тестов — на изгиб, растяжение и ударную прочность, а также исследовали микроструктуру с помощью электронной микроскопии.

«Волокна полимеров, как правило, значительно прочнее прессованного порошка. Если их спрессовать, подплавив по границам, получается композит с замечательными свойствами из волокон СВМПЭ в его же матрице», — сказал заведующий лабораторией ускоренных частиц НИТУ МИСИС Александр Корсунский.

Результаты показали, что при оптимальной температуре около 165–170 °C и давлении 25–50 МПа достигается наилучшее сочетание прочности, модуля упругости и ударной вязкости. При этом прочность на растяжение новых композитов составляет до 50% от исходной прочности волокон — выдающийся показатель для одно­компонентных материалов.

Исследователи выяснили, что ключевую роль играет особая «самоупрочнённый» структура: при горячем прессовании поверхность волокон частично плавится и сплавляется с соседними, создавая надёжные связи без введения других полимеров. Это обеспечивает эффективную передачу нагрузки, а также высокую пластичность и способность поглощать удары без разрушения. Подробности исследования описаны в научном журнале Fracture and Structural Integrity (Q2).

«Сверхвысокомолекулярный полиэтилен сегодня — один из наиболее перспективных материалов для высоконагруженных и функциональных применений: от медицины до транспортного машиностроения. Наши результаты показывают, что “самоупрочнённые” композиты из СВМПЭ обладают уникальным сочетанием свойств и могут стать основой для разработки сбора энергии, медицинских имплантов и робототехнических устройств», — отметил доцент кафедры физической химии НИТУ МИСИС Евгений Статник.

Исследование поддержано грантом Минобрнауки России (соглашение № 075-15-2024-552).

НИТУ МИСИС занял 10 место из 80, продемонстрировав высокие показатели по научной продуктивности и патентной активности.

Список объединяет два ежегодных показателя: рейтинг научной продуктивности и индекс изобретательской активности. Научные достижения оценивались по публикациям в 10 предметных областях: инженерные науки, компьютерные науки, математика, материаловедение, науки о Земле, экология, химические технологии, химия, энергетика и физика. Учитывались три критерия — «Масштаб» (количество публикаций за 2021–2024 гг. и индекс Хирша), «Востребованность» (средний уровень цитирования журналов, где опубликованы статьи, и среднее количество цитат на одну статью) и «Превосходство» (количество публикаций и среднее число цитат статей в журналах Q1). Технологические достижения тоже анализировались по трём блокам: «Исходные условия» (число патентов за 2021-2024 гг), «Качество» (доля процитированных патентов, патентов в коллаборации с научными организациями и с компаниями) и «Востребованность» (количество поданных патентов и лицензий). Все показатели рассчитывались на основе данных из международных баз рецензируемой научной литературы, данных Федерального института промышленной собственности, Google Patents.

Наилучший результат НИТУ МИСИС показал в субрейтинге «Переход к персонализированной высокотехнологичной медицине», заняв 2-3 строчку. По показателю «Развитие передовых цифровых технологий» университет на 6-7 позиции. Также у вуза высокие показатели по наукометрическим индикаторам:

– 6-е место в РФ по индексу Хирша

– 6-е место в РФ по общему количеству публикаций и 14 место по публикациям в журналах Q1 (при небольшом количестве НПР в сравнении с крупными классическими вузами)

– 7-е место по среднему числу цитат в журналах первого квартиля.

В современной авиапромышленности углеродное волокно и композиты на его основе особенно ценятся за высокую удельную прочность, жёсткость и лёгкость. Кроме того, они не подвержены коррозии. Композиционный филамент — термопластичный полуфабрикат в виде нити, используемый в 3D-печати — состоит из волокон, упрочняющих нить по всей длине, соединенных с полимерной матрицей, которая распределяет нагрузку по всей площади материала. Одним из самых востребованных полимеров для получения подобных филаментов является полиэфирэфиркетон благодаря высокой прочности и устойчивости к химическим воздействиям. Однако он дорогой и изделия из него сильно деформируются в процессе печати. Дополнительные трудности связаны со сложностью изготовления филамента: пропитывать волокна приходится очень вязким раствором, что приводит к разрушению хрупких волокон.

Аморфные термопластичные полимеры (в данном случае полиэфирсульфон) лишены этих сложностей: они дешевле, в растворителе могут иметь низкую вязкость и высокую прочность. Чтобы получить усовершенствованный филамент, учёные Университета МИСИС предложили новый метод пропитки углеродных волокон раствором полиэфирсульфона.

Д.ф.-м.н. Сергей Калошкин, директор Института новых материалов НИТУ МИСИС объясняет: «Вместо того чтобы заливать филамент расплавленным полимером, мы пропустили его через ёмкость с раствором полимера в специальной жидкости, а затем через фильеру, которая удаляет излишки. В результате материал оказался равномерно покрыт полимером, а после испарения растворителя получилась плотная бездефектная нить».

При оптимальных условиях массовое содержание полимера в матрице достигало около 45%, а пористость уменьшалась до нескольких процентов. Нити демонстрировали прочность на разрыв, превосходящую композиты на эпоксидной основе. С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научном журнале Inorganic Materials: Applied Research.

«Результаты показали, что при большей концентрации раствора и увеличенном диаметре фильеры доля термопластичного полимера в филаменте повышается, но также повышается и пористость. Для получения материала с достаточной плотностью необходимо соблюсти баланс между диаметром фильеры и концентрацией раствора», — сказал аспирант Института новых материалов НИТУ МИСИС Алнис Веверис.

Подход основан на целенаправленном запуске специальных каналов шума. В перспективе разработка позволит повысить точность и скорость вычислений.

Задачи квантового машинного обучения, несмотря на большой потенциал, сталкиваются с серьезными трудностями при тренировке и оптимизации. Из-за множества возможных решений, не все из которых оптимальны, алгоритм может “застревать” так и не доходя до лучших решений. Протокол, разработанный учёными НИТУ МИСИС, позволит регулировать оптимизационные ландшафты при помощи специальных каналов шума.

Обычно шум препятствует эффективной работе квантовых алгоритмов. Любое взаимодействие с окружающей средой — случайные колебания температуры или электромагнитных полей — приводят к ошибкам в вычислениях. Эксперты продемонстрировали, что использование специальных каналов шума значительно сглаживает мелкомасштабные флуктуации функции потерь и позволяет находить более качественные решения.

«Когда мы тренируем модель, будь то классическая нейросеть или квантовый алгоритм, у неё есть функция потерь. Это мера того, насколько её подход к решению задачи неверный: чем выше потери, тем хуже. Параметров модели может быть много, например, вращения, фазы, вес и т. п. Каждая комбинация этих параметров даёт свой результат и функция потерь присваивает этому результату число — “высоту”. Представьте: вы стоите на горе и пытаетесь спуститься к самой низкой точке. Высота указывает, как далеко вы от цели. На пути встречается множество мелких ям и впадин и в них можно легко застрять, так и не добравшись до цели. Обычно так и происходит — мы блуждаем и попадаем в локальные ловушки. Наш метод похож на то, как если бы ямы засыпали песком. Он заполняет мелкие впадины, выравнивая поверхность, и путь становится проще: мы больше не задерживаемся и можем двигаться дальше. Таким образом, добавление шума — регуляризация — сглаживает ландшафт и значительно упрощает поиск оптимального решения», — отметил к.ф.-м.н. Никита Немков, старший научный сотрудник лаборатории квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС.

Протокол предусматривает создание определённого количества шума для определенных элементов в квантовой схеме. В результате функция потерь сглаживается. Учёные проверили алгоритм на тестовых задачах и квантовой свёрточной нейросети. В обоих случаях протокол улучшил результат: шанс найти правильное решение оказался в несколько раз выше по сравнению с традиционными подходами. С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научном журнале Physical Review A (Q1).

«Сложность обучения вариационных квантовых алгоритмов и моделей квантового машинного обучения хорошо известна. Предложенный нами протокол может быть объединен с существующим методом смягчения локальных минимумов — квантовым оптимизатором естественного градиента, а также может дополнить набор методов оптимизации функций квантовых потерь. Техническая реализация протокола не требует большого количества дополнительных ресурсов и может быть использована как в классических симуляторах квантовых цепей, так и на реальных квантовых устройствах», — сказал PhD Алексей Фёдоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководитель научной группы РКЦ «Квантовые информационные технологии».

Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-71-01095), а также в рамках реализации стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».