В Москве при поддержке Правительства РФ, РАН, Российского научного фонда и Российского квантового центра состоялся III Форум будущих технологий. Форум проводится Фондом Росконгресс ежегодно и в 2025 году был посвящен новым материалам и химии. В рамках деловой программы, которая проходила 20–21 февраля, обсуждались ключевые направления развития науки и промышленности, пути достижения технологического суверенитета и технологического лидерства.

 

 

«Самой быстроразвивающейся областью промышленности, как в мире, так и в Российской Федерации, являются композиты и гибридные материалы», — уверен Андрей Славин, начальник научно-­исследовательского отделения Курчатовского института. Андрей Славин выступил модератором сессии «Композиционные и гибридные материалы для высокотехнологичных отраслей экономики».
На сессии было представлено семь докладов по проблемам и перспективам развития композитной отрасли. Докладчиками подчеркивалась важность данных материалов, та к как композиты необходимы в космосе, авиации, энергетике, строительстве, медицине, спорте — везде, где требуются высокотехнологичные материалы с особыми свой­ствами.

 

 

Открыл сессию Илья Воротынцев — генеральный директор АО «Научно-­исследовательский институт синтетического волокна с экспериментальным заводом» (ВНИИСВ).
ВНИИСВ находится в Твери и представляет собой инжиниринговый центр с химической площадкой, занимающей более 30 гектаров. Это одно из немногих, если не единственное, оставшееся с советских времен производство, способное выпускать мало- и среднетоннажные виды синтетических волокон, нитей и волокнистых материалов специального назначения. «Поэтому я буду говорить о надежде», — подчеркнул Илья Воротынцев.

 

На заводе сохранили производство акрилонитрила, созданное в советские годы, разрабатывают новые технологии. Например, освоили переработку сверхвысокомолекулярного полиэтилена в армирующей нити (СВМПЭ) по гель-спиннинг-­технологии. Такие нити имеют прочность выше 385–390 сН/текс (удельная разрывная нагрузка — прим.ред), не поглощают воду, невидимы для локаторов и приборов ночного видения. «Это материал, который не горит, а плавится, не тонет, а плавает; обладает высокой химической стойкостью, устойчивостью к механическим воздействиям, может использоваться как армирующая часть движущихся систем», — отметил генеральный директор тверского предприятия.

 

Мировое производство сверхвысокомолекулярного полиэтилена составляет порядка 70 тысяч тонн, а в ближайшие три года ожидается рост до 200 тысяч тонн. Это перспективный материал для самолетостроения, судостроения, навигационных приборов, бронезащиты, медицины и многих других отраслей, он пригоден к эксплуатации в сложных климатических условиях, в том числе в Арктике. По мнению докладчика, в эту сферу стоит активно вкладываться и государству, и бизнесу. Сейчас в России создается несколько площадок по выпуску сырья для получения СВМПЭ. Первое такое производство должно заработать в башкирском городе Салавате к концу года. Илья Воротынцев надеется, что тогда «у нас будет исходное вещество, исходный материал российский, который можно переработать в нити различной толщины, различного текса» (текс/tex — внесистемная единица линейной плотности, прим. ред.)

 

Сейчас в Твери выпускается порядка 2–4 тонн сверхвысокомолекулярного полиэтилена в год. «Приходите, обращайтесь, дадим попробовать, потому что производство у нас на сегодняшний день действующее», — пригласил Илья Воротынцев коллег к сотрудничеству.

 

 

О технологиях композитных материалов будущего» рассказал заместитель генерального директора, технический директор АО «ЮМАТЕКС» — композитного дивизиона в структуре «Росатома» Юрий Свистунов.
Композитные материалы (углеродное волокно, углепластик и др.) обладают ценными качествами: легкостью, прочностью, устойчивостью к перепадам температур и многими другими. «Уникальность композита заключается в том, что получаем нужные свой­ства именно там, где они требуются. Можем проектировать свой­ства через подбор компонентов и технологий», — отметил он.

 

Создание композитов — сложный, дорогой, энергозатратный процесс. Современные тенденции в развитии композитной индустрии — сокращение стоимости, цифровизация, экологичность.

 

Сокращение стоимости достигается путем удешевления всего цикла создания материала: сокращения стоимости наполнителей, углеродного волокна, стекловолокна, сверхвысокомолекулярного полиэтилена; снижения стоимости производства, упрощения формования.

 

Цифровизация — глобальный тренд, связанный с ростом вычислительных мощностей. В области создания новых композитов позволяет рассчитывать заранее весь жизненный цикл материала. Цифровизация, в свою очередь, включает следующие ключевые направления:
— Расширение возможностей проектирования новых материалов через применение многокомпонентных систем в связи. Сейчас углепластик может состоять из нескольких компонентов, но с ростом вычислительных мощностей появится возможность просчитать комбинации десятков и сотен компонентов, чтобы получить узкоспециализированный материал с определенными свой­ствами.
— Цифровые двой­ники продуктов и цифровые двой­ники производств. Эксперименты в реальных условиях постепенно будут заменяться компьютерными вычислениями. Закладывая параметры производственных машин и участков в цифровые модели, можно с высокой достоверностью получать результаты, аналогичные реальному эксперименту.
— Автоматизация и роботизация. Облегчение труда человека, ускорение производственных процессов, в свою очередь, снижает стоимость конечного продукта.
Экологичность — тоже глобальный тренд. «Это уже не просто слова, это то, без чего человек не сможет выжить», — подчеркнул Юрий Свистунов. Очень актуальной является потребность в эффективных технологиях переработки композитов (рециклинг).

 

В самом «Росатоме» к 2016 году была сформирована технологическая цепочка по углеродному волокну: от ключевых химических компонентов до композитных изделий. Сегодня в приоритетах — развитие технологий завтрашнего дня, в первую очередь для атомной отрасли, авиации и космоса.

 

Усилия компании направлены на масштабирование производства, создание новых продуктов и международное сотрудничество. Но главное — это технологический суверенитет. Это не изоляция и не ориентация только на российский рынок. «Суверенитет означает, в первую очередь, приоритет собственных технологий», — уточнил Юрий Свистунов.
Насущные проблемы, над решением которых сейчас работает «Росатом», это отсутствие современного оборудования инжиниринга, нехватка связующих компонентов следующих поколений для малотоннажного химического производства.
В планах композитного дивизиона: дальнейшее развитие технологических цепочек, формирование линейки всех ключевых видов волокон (угле- и стекловолокно, СВМП, крученая стеклонить), разработка технологий рециклинга, обеспечение экологичности композитов.

 

 

Анатолий Тимофеев, первый заместитель генерального директора АО «Композит», в начале выступления отметил, что строительство завода ООО «Алабуга-­Волокно» (входит в АО «ЮМАТЕКС» в Алабуге) дало хороший импульс развитию композиционной отрасли в России и выразил благодарность «Росатому». Благодаря проекту «Алабуга-Волокно» были обеспечены потребности страны в углеродных волокнах, появились новые возможности.

 

АО «Композит» — головная научно-­исследовательская организация ракетно-­космической отрасли. Помимо углеродных волокон перед ней сейчас стоит задача получения различных изделий и волокон типа карбида кремния, углеродного волокна на основе пека. «Без карбида кремния, и это показали наши западные коллеги, невозможно двигаться дальше в строительстве нового поколения газотурбинных двигателей для авиации», — рассказал Анатолий Тимофеев. Карбид кремния не окисляется до температуры 1800°C, волокна карбида кремния не деградируют до 1500°C, что позволяет открыть новые ниши применения композиционных материалов.

 

Уникальными характеристиками обладает углеродное волокно на основе специального мезофазного пека. В Японии получили волокно с теплопроводностью 1100 Вт/м2 °C. Для «Роскосмоса» это крайне важно: благодаря высокотеплопроводным пластикам на основе волокон карбида кремния возможно обойтись без тепловых труб, которые обеспечивают комфортный режим работы приборов. 

Это позволит снизить вес и улучшить характеристики спутников.

 

Важнейшим этапом в процессе производства является формирование каркаса, или преформ — объемных схем армирования, которые обеспечат нужные характеристики материала под конкретную задачу конструктора. По словам Анатолия Тимофеева, сейчас появились новые технологии (контурного плетения, иглопробивные), которые позволяют формировать «зетовую координату» в автоматическом режиме, исключив человеческий фактор, что намного повышает качество работ.
Традиционно развиваются, но уже с новыми возможностями, технологии намотки и выкладки. Появление полиэфирэфиркетона дает возможность формировать углепластики на основе термопластичных связующих. В перспективе могут быть созданы орбитальные станции из этих материалов: они обеспечивают герметичность, биостойкие (не подвержены плесени), легко поддаются ремонту, что очень важно в условиях космоса.

 

Следующая стадия производства композита — формирование матрицы. Для этого применяют три основных способа.
— Осаждение из газовой фазы — CVI технологии.
— Формирование матрицы из тугоплавких соединений через карбонизацию предкерамических полимеров. В результате получаются соединения карбида кремния, карбидов тугоплавких металлов.
— Пропитка жидкими расплавами, металлами — RMI технологии. Классический способ, но применяемый на современном уровне.

 

Перечисленные технологии можно комбинировать под конкретную задачу, подбирая оптимальное сочетание цены и времени изготовления композиционного материала.
В настоящее время рассматривается возможность создания заводов по изготовлению крупногабаритных конструкций прямо на орбите. Сюда будут доставляться связующее волокно и роботы, которые будут формировать конструкцию станции. Освоение других небесных тел начнется с Луны. И здесь не обойтись без композиционных материалов и без роботов, которые будут формировать укрытия для человека.

 

В числе перспективных материалов Анатолий Тимофеев также отметил углерод-­углерод как уникальный материал, который все время совершенствуется. Сегодня совместно с НИИ «Графит» получены материалы с плотностью 1.9, 1.95 г/см³.
Подводя итоги, докладчик заявил, что сегодня перед создателями композитных материалов стоят задачи по разработке новых волокон (в том числе волокон тугоплавких соединений на основе металлов — гафния, тантала, как карбидов, так и оксидов), новых технологий формообразования, новых способов формирования матрицы (либо поиск эффективных комбинаций существующих способов).

 

Отвечая на вопрос о перспективах импортозамещения, Анатолий Тимофеев рассказал, что инженеры «Композита» совместно с конструкторами из текстильной промышленности разработали уникальное оборудование: «Это те же самые плетельные машины, у нас их уже четыре, это станки объемного ткачества, которые позволяют делать преформы тавры, двутавры, трубы, профили различные — много еще чего у нас есть, если интересно, можно приехать посмотреть. Но самое главное, мы теперь имеем документацию, понимаем, куда надо развивать машиностроение в части формирования преформ. И в том числе это позволило нам думать уже о строительстве завода в космосе».

 

 

Андрей Анисимов, заместитель генерального директора по научной работе НИЦ Курчатовский институт — ЦНИИ КМ «Прометей», рассказал, что полимерные композиционные материалы используются в судостроении для изготовления корпусов, корпусных конструкций, мачт, выдвижных устройств. Сейчас корпуса ограничены водоизмещением по 700 тонн, но в будущем эти размеры будут гораздо больше.

 

Среди важных достижений отрасли Андрей Анисимов отметил: «В морской технике перепад давления может достигать 1100 атмосфер. И сейчас в Российской Федерации уже есть технологии и материалы, которые выдерживают эти колоссальные давления».
В море важна плавучесть. Существуют материалы, которые имеют плотность меньше 700 кг/м3, что позволяет обеспечить необходимую плавучесть глубоководных аппаратов.

 

Для изготовления корпусов подводных аппаратов сегодня применяются не только композиты, в мировой практике есть примеры использования полимерных материалов и даже оргстекла.
Что касается перспектив, то Андрей Анисимов считает: «если говорить о будущем и мечтать, то уже ни в чем себе не отказывать».

 

Современные тренды судостроения:
— Повышение прочности композитов, обеспечение их длительной эксплуатация под водой без изменения эксплуатационных свой­ств.
— Роботизированные процессы строительства судов с минимальным количеством людей и высоким качеством продукции.
— Предотвращение обрастания днища судна (серьезная проблема, особенно в южных и тропических широтах). Для этого планируется вводить специальные добавки в состав полимерных композиционных материалов, из которых будет строиться корпус корабля.
— Решение проблемы утилизации мусора. «Будет огромный цех, куда с одной стороны будет засыпаться мусор, а с другой стороны будут выходить прекрасные белоснежные яхты», — представил будущее Андрей Анисимов.

 

 

Артур Гареев, заместитель директора по науке и инновациям, АО НИИ «Графит» (Госкорпорация «Росатом»), высказал мнение, что искусственный графит не должен стоять особняком от других материалов, его следует отнести к композитам с дисперсным наполнением.
Все искусственные графиты получают путем смешения двух порошков: кокса и пека. Кокс — твердый наполнитель, пек — полимерная фаза, которая под воздействием высокой температуры структурируется в углеродную матрицу: происходит процесс графитизации смеси. Такой графит, как и композит, имеет высокую степень анизотропии: проявляет разные свой­ства по продольной и поперечной оси.

 

Графит изготавливают по термоусадочным технологиям, которые являются самыми сложными в композитной индустрии. Получить высокий выход годного графита значительно сложнее, чем при изготовлении материалов с углеродным волокном — волокно снижает вероятность термомеханических напряжений и разрушения крупногабаритных заготовок.

 

В стране сейчас наблюдается значительный дефицит графитовых изделий. Искусственный графит нужен промышленности в больших объемах.
Графитовые электроды высокого качества необходимы для выплавки определенных металлов (например, магниевой группы). Ранее они закупались за рубежом, сейчас такой возможности нет, а быстро заменить их отечественными не всегда получается. Графит необходим для атомных реакторов. Радиоэлектронная промышленность испытывает острую потребность в графитовых материалах для футеровки электровакуумных печей и получения особо чистых кристаллов. Авиационная промышленность, судостроение, станкостроение, машиностроение — везде необходимы различные виды графитов. Например, силицированный графит широко применяется в торцевых уплотнениях и в насосной технике.

 

Артур Гареев рассказал о рисках и проблемах графитовой отрасли.

 

В ближайшее время может исчезнуть кокс, который используется для многотоннажного производства графита в России. Два главных производителя кокса — ЕВРАЗ и «Мечел» — в перспективе двух-трех лет планируют закрытие своих производств. В 1990‑е годы были утеряны технологии производства нефтяных и сланцевых коксов для выпуска спецмарок графитов. Поэтому риск потери сырья сейчас имеет высокую вероятность, для его предотвращения необходимо развитие коксохимической промышленности.
Еще одна проблема — в стране отсутствуют опытные заводы, где можно было бы отрабатывать технологии производства новых марок графитовых материалов, изготовления крупногабаритных графитовых блоков по изостатическим технологиям прессования.
Отвечая на вопрос модератора, какие меры необходимо предпринять для повышения конкурентоспособности отечественных графитовых материалов, Артур Гареев привел такие цифры. Мировой рынок графитовых материалов составляет 8 триллионов долларов США. Россия занимает в этом рынке 0,1%. По стоимости продукции наша страна проигрывает, например, Китаю на порядок. По мнению Артура Гареева, причин несколько. Первая — небольшие объемы выпуска продукции в России, что повышает себестоимость. Вторая — стоимость электричества для производства графита. «Третий, самый важный аспект — отсутствие технологического оборудования в стране и компетенций для его производства в достаточном объеме. Нужны команды, способные изготавливать высокоэффективные печи графитации, изостатические прессы, вибросмесительное оборудование. И нужны, конечно, инженерные школы — и под оборудование, и технологическая, именно для подбора режимов получения графитовых заготовок», — считает Артур Гареев.

 

 

Сергей Милейко, главный научный сотрудник Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН, рассказал о композитах с металлической матрицей, которые «были долгое время в тени углепластиков».

 

Углепластики, появившиеся в конце 1960‑х годов, своим «агрессивно-­полезным» распространением позволили существенно повысить характеристики многих летательных аппаратов. Но углепластики имеют ограничения прежде всего по температуре и по трещиностойкости. Поэтому следующий скачок в характеристиках летательных аппаратов с высокой вероятностью будет основан на применении композитов с металлической матрицей.

 

Впервые композиты с металлической матрицей бор-алюминий были применены в советской России. Во второй половине 1970‑х годов были запущены три спутника ГЛОНАСС на ферме из бор-алюминиевых труб. А в силовой конструкции корабля «Буран» изначально запроектированные титановые трубы были заменены на бор-алюминиевые. Это дало огромную экономию массы сухого веса самолета «Буран».

 

Однако волокна бора имеют ограниченную область применения. Нужны способы использования в металлической матрице более универсальных волокон, прежде всего углеволокна.

 

Более полувека идет работа над углеалюминием. Огромные усилия исследователи многих стран направляют на получение углетитана. «Но углетитан получить классическими технологиями практически невозможно,  — объяснил Сергей Милейко. — Почему? Потому что жидкофазная технология превращает углеволокно в карбид титана, а твердофазная имеет ограничения».
Недавно в Институте физики твердого тела разработали схему, которую назвали твердо-­жидкофазной. В твердой фазе использована основная матрица титанового сплава, в жидкой фазе — эвтектика (жидкая система, находящаяся при данном давлении в равновесии с твердыми фазами — прим. ред.), например, с пониженной температурой плавления. В итоге получается сохраненное углеволокно в промежуточной эвтектической матрице и основная матрица, состоящая из качественного сплава. Прочность такого материала может достигать 2000 МПа. «Это довольно хорошо, — считает Сергей Милейко. — Высокотемпературная прочность тоже довольно хорошая. Причем здесь роль основной матрицы играет невысокотемпературный титановый сплав ВТ‑16. Тем не менее, при температуре до 600 градусов углеродный титан стоит очень неплохо».

 

Особенностью композитов металлической матрицы с хрупким волокном является отрицательная корреляция между прочностью и трещиностойкостью: чем прочнее сплав, тем он менее трещиностойкий. Поэтому в ответственных конструкциях не используются очень высокопрочные сплавы — они недостаточно трещиностойкие.

 

Однако в композитах с металлической матрицей, построенных правильным образом, можно получить с ростом прочности и рост трещиностойкости. Одна из потенциальных сфер применения таких материалов — изготовление рабочих лопаток авиационных газотурбинных двигателей.

 

В Институте физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН разработана технология получения оксид-­молибденовых композитов, она может применяться и для получения разнообразных оксидных волокон из расплава.
«Мы использовали чистый молибден, но нам удалось добавить туда через шликер кремний и бор. В итоге получили состав матрицы, близкий к идеальному: молибден-­кремний-бор. Какие характеристики получаем? Прежде всего, трещиностойкость около 40 МПа.м1/2, это уже для рабочей лопатки турбины нормально, прочность тоже высокая. Пока еще недостаточно высокое сопротивление ползучести и жаропрочность, тем не менее при 1300°C это выше, чем у любого другого сплава».
Что касается перспективы, то при армировании такими оксидными волокнами матрицы, основанной на высокоэнтропийных сплавах, которые характеризуются высокой прочностью и сопротивлением вытеснению при температурах до 1500 градусов, но нежаропрочны, и наблюдается плохое сопротивление ползучести. Но, если провести армирование, по мнению докладчика, получится то, что должно определить будущую турбину.

 

 

Доклад «Корреляционные методы обеспечения прочности конструкции из композиционных материалов» сделал Александр Корсунский, глава Лаборатории иерархически структурированных материалов, профессор Центра системного проектирования Сколковского института науки и технологий.

 

Научные разработки, в том числе в области материаловедения, очень трудно превращать в технологии. Профессор Корсунский рассказал о разных аспектах этой общемировой проблемы, а затем представил один из методов ее решения для конкретной ситуации.
Нестыковки часто возникают на этапе перехода от проектирования к производству. Например, при масштабировании может обнаружиться, что механические параметры (жаропрочность, усталостная прочность, ударная прочность, трещиностойкость) ухудшаются. По словам Александра Корсунского, это обстоятельство известно науке как масштабный эффект и касается всех процессов — от строительства машин или мостов до масштабирования графитных заготовок. «На основании базовых параметров материалов, полученных на основе испытаний элементарных образцов, конструктор рассчитывает систему в целом. А когда доходит до постройки реального объекта — самолета, например, — то выясняется, что запланированные характеристики не могут быть достигнуты и надо вернуться к перепроектированию. Это чрезвычайно затратно», — констатировал докладчик.

 

Решением может служить миниатюризация эксперимента по определению прочности с использованием вырезных образцов, извлекаемых из конструктивно-­подобных или полномасштабных деталей. В материаловедении принято считать, что структура определяет свой­ства. Значит, если с большим увеличением рассмотреть структуру материала, можно определить параметры прочности: «Например, если мы проведем наблюдение за структурой в процессе нагружения материала, то сможем обнаружить, где зарождается повреждение, как развивается, как коррелирует с прочностью, и сможем более верно предсказывать его надежность».

 

Традиционные методы тестирования материалов, одобренные ГОСТами, не допускают миниатюризации — именно потому, что существуют масштабные эффекты. Кроме того, очень сложно измерять деформации и напряжения в микромасштабе.
Один из новых методов — метод цифровой корреляции изображений (ЦКИ). Это бесконтактный, масштабно независимый способ обработки изображений, который дает возможность наблюдать за деформацией в образце.

 

«Для того чтобы предсказывать поведение сложных структур, таких как панель фюзеляжа, кессон крыла или лопатка двигателя, нужно научиться предсказывать поведение сложно структурированных композитных конструкций, — объяснил Александр Корсунский. — Для этого используется сочетание вычислительных методов и экспериментов».

 

В целях обеспечения надежной прочности в масштабе деталей и сборочных единиц предлагается двигаться от микроуровня до элементарного уровня и далее до уровня вырезных образцов, проверяя свой­ства прочности на каждом этапе. Так можно решить в короткие сроки задачи проектирования и перехода от создания новых материалов к их применению в реальных физических объектах. Ключевым моментом методики является цифровизация не только моделирования материалов, но и эксперимента, что позволяет добиваться улучшения модели с помощью расчетно-­экспериментальной корреляции (РЭК). Александр Корсунский назвал этот подход прикладным цифровым материаловедением.

 

«Новое — это хорошо забытое старое», — отметил после выступления модератор Андрей Славин, поскольку ранее в авиационной промышленности в процессе разработки материала существовала система испытаний, в которую входила общая квалификация и специальная квалификация. По сути, это были исследования образцов от микроуровня до макроуровня. Проблема, конечно, заслуживает большого внимания в новейших условиях проектирования из сложных композиционных и гибридных материалов.
Завершая сессию, Андрей Славин поблагодарил всех докладчиков за интересные выступления и подчеркнул: «Композиционные материалы являются материалами технологии роста, то есть их получают не вычитанием материала, как допустим, при механической обработке деталей из металла, а изготавливают непосредственно по «природоподобным технологиям». Безусловно, это технологии будущего.

 

 

Полностью доклады и дискуссии по теме «Композиционные и гибридные материалы для высокотехнологичных отраслей экономики» можно посмотреть на сайте III Форума будущих технологий: 
https://roscongress.org/sessions/fbt‑2025‑delovaya-­programma-kompozitsionnye-i-gibridnye-­materialy-dlya-vysokotekhnologichnykh-­otrasley-ekonomiki/

 

В статье использованы фото Фонда Росконгресс

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 3-2025