Консорциум двух российских вузов разрабатывает новые материалы с уникальными свойствами

Специалисты Центра НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» и Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова (КБГУ) ведут совместные исследования и разработки композиционных материалов нового поколения.

По словам разработчиков, новые термопластичные полимерные композиционные материалы (ТПКМ) имеют ряд значимых преимуществ по сравнению со всеми известными композиционными материалами на основе реактопластов. В числе достоинств называются широкий интервал температур эксплуатации (от –195 до +230 °С), высокая скорость переработки, повышенные демпфирующие свойства, высокая устойчивость к ударным нагрузкам и другие.

В разных отраслях промышленности композиционные материалы с успехом заменяют дорогостоящий алюминий – с преимуществом в весе и кратным снижением трудоемкости производства. Эти свойства весьма востребованы в авиа- и ракетостроении, подобные материалы уже активно используются лидерами мирового автопрома.

Разработки ведутся двумя вузами в рамках деятельности Университетского зеркального инжинирингового центра (УЗИЦ) «Центр компетенций «Новые производственные технологии. Эльбрус», созданного в этом году для "конвергенции и синергии" – опыта, ресурсов и компетенций –  между Петербургским Политехом и КБГУ в ходе выполнения совместных высокотехнологичных проектов.

«Ключевым мировым трендом в области разработки полимерных композитов является использование в качестве связующего высокотемпературных термопластов, которые значительно превосходят по термостойкости и трещиностойкости традиционно применяемые эпоксидные смолы, – говорит Светлана Хаширова, проректор по НИР КБГУ, руководитель УЗИЦ «Эльбрус». – Основная проблема при получении таких композитов – в обеспечении прочной связи между полимерной матрицей и наполнителем. Компетенции КБГУ в области синтеза высокотермостойких суперконструкционных полимеров и возможности СПбПУ в области передовых цифровых технологий и новых производственных технологий создания композиционных материалов позволили нам решить эту проблему и получить материал с превосходными свойствами».

Светлана Хаширова уверена, что создание консорциумов, объединяющих передовые научные школы, – один из самых эффективных инструментов для получения прорывных результатов и успешного решения задач национального проекта «Наука». Ценность консорциума КБГУ и СПбПУ видится в том, что он кооперирует научный центр мирового уровня с региональным центром компетенций и не только дает дополнительные возможности региональному вузу для перехода на мировой уровень, но и позволяет использовать потенциал регионального вуза в передовых технологиях.

Результаты деятельности консорциума не заставили себя ждать. КБГУ разработал отечественные суперконструкционные полимерные матрицы для получения композитов. В лаборатории «Моделирование технологических процессов и проектирование энергетического оборудования» Центра НТИ СПбПУ была разработана и изготовлена отечественная установка автоматизированного производства лент из углеродных волокон и термопластичных полимеров, изготовлены ленты, композиционные материалы, которые затем были испытаны. В результате был сформирован пилотный кейс по внедрению полученных материалов в перспективные композитные изделия ракетно-космической техники госкорпорации  «Роскосмос».

Принципиально важно, что разработанная технология обеспечивает переработку различных типов термопластов, в том числе суперконструкционных. На опытной установке уже получены экспериментальные образцы материалов PA, PPS, PEEK – на основе предоставленных КБГУ полимеров.

«Наша ближайшая совместная задача – отработка технологии создания материалов с заданными свойствами и составление соответствующей базы данных, – говорит заведующий лабораторией «Моделирование технологических процессов и проектирование энергетического оборудования» Центра НТИ СПбПУ Владимир Ядыкин. – Мы сотрудничаем с КБГУ всего полгода, и синергетический эффект этого взаимодействия нельзя переоценить. Мы уже выполнили договор в рамках Союзного государства по заказу Института физико-химического материаловедения им. Р.Л. Бартини (головной заказчик – ФГУП «НПО «Техномаш» госкорпорации «Роскосмос»), подтвердив эффективность оригинальной российской технологии производства, использующей отечественное сырье, по созданию термопластичных полимерных композиционных материалов с характеристиками на уровне лучших мировых образцов».

«В числе наших совместных задач с КБГУ – создание «сквозной» российской технологии от производства полимера и получения композита с уникальными физико-механическими характеристиками до «второго передела», то есть производства конечных деталей (композитных структур) различными методами, – поясняет Алексей Боровков, проректор по перспективным проектам СПбПУ, руководитель Центра НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии». – Важной составляющей этой работы является создание многоуровневых цифровых моделей композиционных материалов с учетом микроструктуры. В эпоху формирования цифровой промышленности это важно для всех специалистов: от химиков и технологов до конструкторов.

В этой работе системно объединены три передовых подхода, которые мы разрабатывали последние десять лет: MultiScale & MultiStage & MultiDisciplinary. 

Подобные совместные разработки в рамках проектных консорциумов позволяют выйти на мировой уровень в разных областях: аддитивные технологии и аддитивное производство, новые передовые материалы с уникальным физико-механическими характеристиками и, конечно, цифровое моделирование и проектирование, которое лежит в основе создания и композиционных материалов, представляющих собой "конструкции в конструкции", и изделий из них – композитных структур, наконец, всё это на системной и регулярной основе обеспечивает применение лучших практик для реальной цифровой трансформации российских высокотехнологичных предприятий».

Напомним, 3 сентября 2020 года СПбПУ и КБГУ подписали соглашение о создании Университетского зеркального инжинирингового центра компетенций «Новые производственные технологии «Эльбрус», работа которого будет направлена на сотрудничество с российскими промышленными предприятиями в области цифровой трансформации и внедрения передовых производственных технологий. Взаимодействие будет осуществляться в рамках реализации Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, дорожной карты развития «сквозной» цифровой технологии «Новые производственные технологии», дорожной карты «Технет» (передовые производственные технологии) 4.0 НТИ, а также в рамках деятельности Научного центра мирового уровня (НЦМУ) по направлению «Передовые цифровые технологии», сформированного на базе СПбПУ Петра Великого.

22 сентября 2020 года в Центре НТИ СПбПУ состоялось рабочее совещание, на котором стороны соглашения обсудили результаты, достигнутые в рамках первого совместного пилотного проекта в области создания композиционных материалов нового поколения, и дальнейшие шаги по масштабированию и тиражированию результатов проекта.

Актуальность и значимость совместной деятельности СПбПУ и КБГУ в области разработки, производства и применения новых материалов подтверждается заинтересованностью в ее ходе и результатах в научных кругах и у представителей высокотехнологичной промышленности, а также активным освещением результатов разработок в крупнейших национальных СМИ.