Композиционные и гибридные материалы для высокотехнологичных отраслей экономики

Эволюция композитных материалов открывает новые горизонты для инновационного развития экономики. Совмещение различных материалов и технологий позволяет создавать продукты с уникальными свойствами, что особенно важно в отраслях авиации и космоса. Однако, несмотря на огромный потенциал, существует ряд вызовов, связанных с непростым переходом научных разработок в реальные технологии. Основные препятствия в этой области: необходимость автоматизации и стандартизации процесса, обеспечение высокотехнологичным оборудованием и инжинирингом, а также недостаток исследований в области цифровой корреляции изображений для оценки прочности материалов. Для решения этих проблем необходимо сосредоточиться на развитии национальных технологий, укреплении международного сотрудничества и использовании цифровых решений для оптимизации процессов. Только таким образом удастся обеспечить стабильное и безопасное развитие отраслей, которые определяют будущее нашей страны. К таким выводам пришли участники сессии «Композиционные и гибридные материалы для высокотехнологичных отраслей экономики» на Форуме будущих технологий – 2025.

КЛЮЧЕВЫЕ ВЫВОДЫ

Проблема перехода от научных разработок в области материаловедения к технологиям

«Проблема в том, что научные разработки в области материаловедения очень трудно превращать в технологии. Научные разработки, существует такое популярное мнение, они дорогие, нужно содержать ученых, которыми трудно управлять: они делают то, что им интересно делать. Делаются разные попытки управлять этим процессом. Надо сказать, что они имеют ограниченный успех, и не только в России, но и во всем мире, потому что ученые делают то, что им нравится. В каком-то смысле они по необходимости люди творческие. Им хочется сделать что-то красивое, чтобы признание последовало от тех людей, которые в состоянии понять смысл их работы. А таких людей не так много», – профессор Центра системного проектирования Сколковского института науки и технологий (Сколтех) Александр Корсунский.

Развитие технологий в области композитов

«Во-первых, новые способы вычисления для комбинирования свойств, увеличение возможностей в проектировании новых материалов через применение многокомпонентных систем. Сейчас мы говорим, что углепластик – это 2–5 компонентов. Придет время, когда вычислительные мощности смогут позволить комбинировать десятки и сотни материалов одновременно, чтобы получить материал с узкозапроектированными свойствами конкретно под нужное применение. Во-вторых, цифровые двойники продуктов и цифровые двойники производств. Это то, что уже сейчас вокруг нас есть. Мы постепенно уходим от того, чтобы проводить большие эксперименты в производственных условиях, потому что появляются цифровые двойники. Можно получать нужные характеристики с высокой достоверностью, закладывая параметры не в производственные машины и участки, а в цифровые модели. В-третьих, автоматизация и роботизация. Облегчение работы человека, ускорение процессов – это то, что делает композиты лучше и проще для человека, возвращая нас к первому пункту», – заместитель генерального директора, технический директор Композитного дивизиона (госкорпорация «Росатом») Юрий Свистунов.

Новые технологии и материалы в области композиционных материалов

«Сегодня появились иные задачи, благодаря которым появились новые технологии, которые позволяют практически исключить человеческий фактор при изготовлении композитов. А это очень важно, потому что те объемные заготовки, которые мы делали ранее, действительно сильно зависят от человеческого фактора», – первый заместитель генерального директора АО «Композит» Анатолий Тимофеев. Российские компании не могут повторить марки графитовых материалов, которые были освоены в СССР
«Говоря о том, в каких высокотехнологичных отраслях экономики находит себя графитовый материал, нужно выделить прежде всего металлургию. Это электроды для металлургической промышленности. В настоящий момент мы испытываем значительный дефицит, поскольку большое количество электродов для промышленности ранее закупалось импортных. На сегодняшний день такого качества электроды обеспечить быстро не всегда получается. Даже в Росатоме ощущается дефицит электродов высокого качества при получении определенного металла, требующегося для наших конкретных проектов», – заместитель директора по науке и инновациям АО «НИИграфит» (госкорпорация «Росатом») Артур Гареев.

ПРОБЛЕМЫ

Недостаток инженерных площадок для пилотирования малых и среднетоннажных проектов

«Так называемая долина смерти возникла у нас после перестройки, когда остались университеты, научно-исследовательские институты, академии наук и индустрия. А вот небольшие такие инжиниринговые центры, площадки, где можно пилотировать среднетоннажные и малотоннажные производства, практически исчезли. В АО „ВНИИСВ“ есть отличная химическая площадка размером более 30 гектаров недалеко от Москвы, где такая возможность осталась. И, соответственно, осталось производство, созданное еще в советские годы, и одна из последних разработок – российская технология, полностью из российских компонентов, созданная трудом отечественных ученых, – переработка полиэтилена в армирующие нити», – генеральный директор АО «ВНИИСВ» Илья Воротынцев. 

Недостаточное количество исследований, связанных с цифровой корреляцией изображений

«Это касается всего: от строительства мостов до масштабирования графитных заготовок. Ключевая задача – как достоверно обеспечить прочность и надежность конструкций для авиации и космоса. Особенно это касается авиации, потому что перед нами стоят очень масштабные задачи. И требования к надежности особо высокие, потому что изделия должны работать в течение многих лет, обеспечивая надежность. Это серьезная задача, потому что иначе наблюдается следующее. Мы делаем планирование на основе базовых параметров материалов, испытаний элементарных образцов. Дальше конструктор на этой основе рассчитывает всю систему в целом. А когда мы доходим до производства самолета в целом, мы обнаруживаем, что нужно вернуться к перепроектированию, потому что не достигнуты желаемые свойства. К тому же это чрезвычайно затратно», – Александр Корсунский.

Нехватка композитных материалов в космической отрасли

«Помимо углеродных волокон, сегодня в стране стоит задача создания различных изделий и волокна типа карбида кремния – углеродного волокна на основе песка. Без карбида кремния, как показали наши западные коллеги, невозможно двигаться дальше в части строительства новых газотурбинных двигателей, нового поколения авиационных двигателей. К тому же карбид кремния позволяет открыть новые ниши композиционных материалов благодаря своей устойчивости к высоким температурам», – Анатолий Тимофеев.

Нехватка сырья для производства графитовых материалов

«Это и нагреватели, и ростовые тигли. Здесь нужны графиты и гибриды на их основе. То есть графиты с минимальными коэффициентами термического расширения, чтобы обеспечить в этих печах рост эпитаксии. И графиты с покрытиями карбида тантала. Сейчас это большой дефицит, а радиоэлектронная промышленность в этом остро нуждается», – Артур Гареев.

РЕШЕНИЯ

Определение прочности в масштабе элементов

«Измерять, допустим, деформацию и напряжение в микромасштабе трудно. Но научная мысль не стояла на месте последние десятилетия, и были разработаны новые методы. Одним из таких методов является цифровая корреляция изображений. Когда зародилась микроскопия, она была не цифровая, и вообще первые микроскописты, такие как Роберт Гук, зарисовывали то, что они видели в микроскопе. А когда возникла возможность фотографировать, это был, так сказать, аналоговый эксперимент, у нас в качестве результата появлялась фотография аналоговая. Когда возникла цифровая фотография и возможность снимать цифровое кино, то обработка цифровых изображений дала нам возможность картировать деформацию в образце», – Александр Корсунский.

Развитие технологий, новые материалы и международное сотрудничество

«С завтрашнего дня мы пытаемся опережать вопросы наших потребителей в первую очередь из атомной отрасли, авиации и космоса. И устойчивыми нас делают усилия в направлении масштабирования, в направлении новых продуктов и международного сотрудничества. Самое главное, над чем мы сейчас работаем, – это технологический суверенитет. И он не означает изоляцию, он не означает то, что мы ориентируемся только на российский рынок. Мы развиваем рынки вокруг нас. Мы продолжаем их развивать, продолжаем в них инвестировать. Ну и для того, чтобы эти технологии имели поддержку, мы, конечно, должны работать над теми проблемами, которые сейчас есть, – отсутствие современного активно развивающегося инжинирингового оборудования. Мы эту тему сейчас самостоятельно решили развивать и активно над этим работаем», – Юрий Свистунов.

Развитие композиционных материалов в космосе

«Появление полиэфирэфиркетона позволяет сформировать уже углепластики на основе термопластичных связующих, что позволяет посмотреть на создание орбитальных станций из этого материала, потому что термопласты обеспечивают герметичность. И при этом такие материалы являются биостойкими, они не подвержены плесени, но и легко поддаются ремонту в полевых условиях. Это на самом деле очень важно», – Анатолий Тимофеев.

* Материал подготовлен с использованием искусственного интеллекта.
Подробнее читайте в Информационно-аналитической системе Фонда Росконгресс
roscongress.org