Материалы, которые изменят мир в ближайшие 10-15 лет
Владимир Нелюб, директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Будущее уже наступило. Мы можем уже сейчас использовать суперконструкционные материалы, моделировать изделия, их полный жизненный цикл на 100 лет вперед. Благодаря разрабатываемому цифровому киберполигону создавать изделия из инновационных материалов, которые лучшим образом подойдут нуждам заказчиков, проводить испытания, проследить за эксплуатацией, оценить все риски можно в режиме реального времени и всего за считаные минуты! Такое заявление поразит воображение даже самых преданных любителей фантастики.
Традиционный подход разработки материалов требует длительного времени, участия большого количества сотрудников: от лаборантов до инженеров, разрабатывающих оборудование, проводящих синтез и испытания. Все дело в том, что для создания нового нужно иметь полноценные центры производства всех материалов, включая добавки, производство оборудования, а также специфические стенды и т.п. Получается, чтобы произвести даже одно маленькое изделие, требуется подключение большого количества испытательных и научных центров, производственных площадок с большим количеством людей и материалов. Необходимо отметить, что для разработки новых материалов зачастую требуется создание принципиально новых технологических схем дорогостоящих производственных и научных процессов.
В наши дни мировой индустрией материаловедения задан четкий вектор развития. Речь тут о переходе с материалов, полученных из переработанной нефти, на материалы, полученные из природного газа. Причем последние имеют минимальные риски для загрязнения окружающей среды, то есть они максимально экологичны и даже подвергаются вторичной переработке.
Здесь стоит упомянуть популярную с 1970-х годов концепцию «устойчивого развития». В Россию она пришла не так давно и очень активно фигурирует в планах развития до 2030 года, как бизнеса, так и государственных структур. Если говорить о промышленном секторе, то суть такой концепции заключается в ведении деятельности, не наносящей вред окружающей среде.
В индустрии цифрового материаловедения существуют еще два постулата для развития: переход на нестандартные материалы и увеличение доли использования термопластов и реактопластов.
Для того, чтобы говорить о материалах, которые изменят мир в ближайшие 10-15 лет, надо понимать, какие задачи стоят перед наукой и промышленностью. Это очень важно, так как для обеспечения возможности создания конструкций под определенные условия эксплуатации будут создаваться новые материалы — и совершенствоваться имеющиеся сейчас, конечно, с учетом развития новых технологий.
Разными учеными создан большой задел: проводятся попытки цифрового моделирования новых материалов и веществ от атомного уровня до учета срока жизненного цикла составных конечных изделий, например, космического аппарата. Поэтому именно сейчас настало время выделить новое высокотехнологичное направление как отдельной науки: цифровое материаловедение «Материалы как Сервис MaaS».
Мы уверены, что совершенно точно все перейдет на цифровые платформы, у каждого материала, изделия будет «цифровой двойник». В нашем Центре компетенций НТИ при создании новых материалов будет использоваться киберполигон. Это будет экономить множество ресурсов на проведение испытаний, оценку рисков, мониторинг жизненного цикла.
Для такой работы идеальны хабы стратегического развития Российской Федерации в рамках национальных приоритетов и программы развития, а именно Центры при вузах, как наш, например. Центр НТИ МГТУ обладает высочайшими компетенциями, новейшими технологиями, современными лабораторными комплексами, большими исследовательскими и научно-испытательными площадями. Мы способны провести фундаментальные исследования и запустить производство уникальных материалов.
В числе инновационных проектов у нас, например, разработка новых функциональных ориентированных 2D и 3D ПКМ, в том числе с использованием графена и его аналогов, и методов их получения с использованием аддитивных технологий.
В рамках этого проекта планируется достижение двух результатов. Первый: создание технология получения многослойных графеновых и графеноподобных материалов, аэрогелей и супергидрофобных материалов на их основе. Технология позволит изготавливать графеновые материалы практически под любые задачи и применения. В настоящее время на рынке графена нет ни одного поставщика, который обеспечил бы весь спектр графеновых материалов, который позволит изготавливать данная технология.
Сочетание цифрового проектирования, аддитивного производства и разрабатываемых технологий позволит получать изделия сложной геометрии и уникального состава, обеспечивающего набор требуемых свойств. Благодаря использованию высокотехнологичных материалов, производимых с использованием технологий проекта, станет возможным интеллектуальное управление физико-механическими свойствами продукта.
Второй - разработана технология получения композитных графен-содержащих сорбентов для комплексной очистки воды и воздуха от органических загрязнителей. Актуальность этой задачи связана с тем, что в результате практической деятельности человека ежегодно выбрасываются огромные объемы опасных сточных вод, аэрозолей и токсичных газов.
Возрастающий недостаток доброкачественной пресной воды серьезно воспринимается во всем мире. Поэтому, наряду с созданием производственных технологий, позволяющих более экономно использовать воду, необходима разработка эффективных схем обеззараживания и обезвреживания воды при подготовке её для практического использования.
В качестве потребителей данных технологий могут выступать производители источников питания (аккумуляторов и суперконденсаторов). Восстановленный оксид графена может выступать как полноценный электродный материал в суперконденсаторах, так и как модифицирующая добавка для улучшения электрохимических свойств.
Также компании нефтегазового сектора, МЧС могут с помощью этих технологий решать проблемы эффективного сбора и утилизации разливов нефти, нефтепродуктов и органических растворителей как на суше, так и на водных объектах. Более того, компании, работающие в секторе водоочистки и водоподготовки могут использовать сорбенты на основе восстановленного оксида графена для очистки сточных вод производств от органических загрязнений (красители, фенолы и другие химические отходы предприятий легкой промышленности).
В последние 20-30 лет активно разрабатывались и внедрялись в промышленность суперконструкционные термопласты и композиционные материалы на их основе. Это в корне изменило представление о возможностях полимерных материалов. При значительно меньшем удельном весе по сравнению с традиционными конструкционными материалами (сталь, алюминий, титан, керамика) им свойственны высокие механические и диэлектрические свойства, отсутствие коррозии, радиопрозрачность, радиационная стойкость, морозостойкость. В связи с чем мы разрабатываем новые термопластичные связующие и препреги [полуфабрикаты - Ред.] на их основе, а также цифровые методы проектирования готовых изделий.
Реализация проекта направлена на удовлетворение потребностей таких стратегически важных потребителей как авиационная промышленность и ракетостроение (нужны теплостойкие высокомодульные углепластики), машиностроение, электронная промышленность, строительство (нужны относительно дешевые, но теплостойкие, прочные, химстойкие стеклопластики).
Например, в авиационной и ракетостроительной промышленности применение суперконструкционных композитных изделий из термопластичных углепластиковых и стеклопластиковых препрегов с температурой длительной эксплуатации на уровне 200-250°С расширит возможности конструирования и создания изделий.
В машиностроении возможно будет создавать теплостойкие и химически стойкие конструкционные изделия, такие как, корпуса узлов и агрегатов, поддоны и крышки, крыльчатка вентилятора и т.п.
В приборостроении и электронике данные материалы могут быть востребованы для создания корпусов приборов, как стеклокомпозитная основа печатных плат (фольгированные диэлектрики) с повышенной на 50-100°С, по сравнению с эпоксидными связующими, теплостойкостью.
Ключевыми преимуществами разрабатываемой технологии являются ориентация на отечественное сырье и оборудование, математическое сопровождение всех стадий разработки, создание качественных композиционных материалов на основе новых суперконструкционных термопластов, из относительно доступных исходных соединений, а также цифровизация отрасли.
Несколько лет назад мы начали разработку самовосстанавливающихся материалов. Разработанный нами подход обладает рядом преимуществ: позволяет «залечивать» макроскопические трещины и может быть применен для самовосстановления практически любых термопластов. Наш подход позволяет сделать восстановление контролируемым и многократным, однако связан с необходимостью создания сложной многокомпонентной системы.
Говоря простыми словами, самозатягивающиеся трещины на бампере, суперсовременные «умные» самолеты и корабли – это не фантастика! Мы создаем материал, который в результате термоциклирования будет залечивать трещины и микротрещины. Изделие из такого материала достаточно будет просто нагреть и повреждение поверхности само по себе затянется.
Мировая промышленность сходится во мнении что за такими технологиями будущее. Простой пример, все уже знают, что такое углепластик и то, что он легче, прочнее и долговечнее любого металла, но, как всегда, есть несколько «но». Например, если в процессе сборки самолета появился дефект на детали, это значит, что придется выкинуть всю деталь, исправить что-то точечно в целиковой детали из углепластика не получится. Даже если это микротрещина в половину или даже четверть человеческого волоса толщиной, такое повреждение может стать фатальным для всего самолета.
Вместе с тем, преимуществ использования углепластика в лайнерах всё же больше. Их наличие в конструкции значительно снижает вес, значит и повышает топливную эффективность. Но детали из композиционных материалов необходимо регулярно проверять на наличие даже микротрещин. Для этого по всему крылу или фюзеляжу, в том числе и внутри конструкции, установлено огромное количество датчиков, которые сразу сообщают если есть хоть какое-то отклонение от нормы.
Здесь для решения проблемы и необходимы наши самозалечивающиеся материалы, которые изначально подобраны посредством цифрового киберполигона. Тогда материал, конструкция, предстоящие нагрузки, эксплуатация на жизненном цикле, риски будут просчитаны со 100% вероятностью и наперед.