Материал для победы

В конце января 2021-го, через четыре года после принятия закона «Об инновационных научно-технологических центрах», председатель правительства Михаил Мишустин подписал постановление о создании в Тульской области инновационного научно-технологического центра «Композитная долина». Это не рядовая новость в ряду разнообразных новостей о мерах поддержки отдельных отраслей и стимулирования инноваций. В данном случае мы, пожалуй, имеем дело с первым проектом создания технологической инфраструктуры полного цикла, да еще в отрасли, развитие которой может иметь системный эффект для экономики. 

Самолет МС-21 получил композитные крылья

«От наличия современных материалов, их характеристик зависят перспективы нашей промышленности», — сказал губернатор Тульской области Алексей Дюмин, поясняя для «Эксперта» замысел долины. 

Для журнала «Эксперт» композиты — это принципиальная тема, за которой мы следим с конца 1990-х годов, когда любой разговор о прорывных инновациях в России считался несмешной шуткой. В 2013 году мы приветствовали принятие дорожной карты развития композитной отрасли на 2016–2020 годы, в 2014-м рискнули написать, что «Россия вполне может вернуть утраченное лидерство по применению в промышленности композиционных материалов, придающих продукции буквально космическое качество». 

Но в России, как сказал классик, «все должно происходить медленно и неправильно», по крайней мере медленно. «Я считаю, что с приходом нынешнего правительства начались перемены в сторону более активной научно-технологической политики», — оптимистично заявил в большом интервью «Эксперту» один из самых главных энтузиастов долины председатель совета директоров группы «Унихимтек» Виктор Авдеев. 

И сейчас, похоже, все элементы пазла воссоздания композитной отрасли в России могут сойтись.

Технология победы

Композиты — многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, органической, керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц, нановолокон и др. В широком смысле композитная отрасль охватывает почти все современное материаловедение. В узком смысле чаще всего речь идет о композитах, имеющих в своем составе наполнители на основе углерода — элемента, из которого состоит все разнообразие биологических систем. Его кристаллы имеют наибольшую твердость, которую даже теоретически нельзя превзойти, его молекулярные и кристаллические структуры обладают наибольшим разнообразием структур и свойств. 

Композитные конструкционные материалы по тем или иным причинам заменяют в промышленности металлические узлы и детали с 1930-х годов. Сейчас, с приходом «в массы» последних поколений композитов на основе насыщенного углеродом углеволокна, освоение новых материалов и технологий их обработки — это вопрос будущего экономики (машиностроения, строительства, медицинской промышленности) в целом.

«В этом году полностью локализуем производственную цепочку по углепластикам благодаря запуску второй очереди завода по производству углеродного волокна, — рассказал «Эксперту» Александр Тюнин, генеральный директор UMATEX, ключевого российского производителя компонентов для композитов, входящего в структуру корпорации “Росатом”. — Теперь в России, например, представлены все переделы производства композитов на основе углеродного волокна, от сырья, полуфабрикатов до готовых изделий. Полным циклом производства владеют только лидеры международной индустрии композитов».

Значение этого могут оценить те, кто, например, следил за фантастической историей импортозамещения композитных крыльев для среднемагистрального самолета МС-21. Компания Виктора Авдеева «Унихимтек» разработала композитный материал для крыльев, благодаря чему Объединенная авиастроительная корпорации (ОАК) смогла заменить продукцию компании Cytec Industries, которую перестали поставлять в Россию из-за американских санкций. Но для создания композитов нужны высокопрочные углеродные волокна, лидером этой отрасли считается японская Toho-Tenax. Но и волокна сейчас производятся в России компанией UMATEX, причем после запуска новых производств создается полный цикл. 

Многие композитные технологии уже были известны в СССР. Более того, на композитных самолетах мы выиграли войну. Композиты на основе древесного шпона (дельта-древесина и балинит) были одним из основных материалов при производстве истребителей. Высокотехнологичного металла (алюминиевых сплавов, высоколегированных сталей) в довоенном СССР было мало для массовой постройки самолетов. Было мало и дерева даже для устаревших цельнодеревянных конструкций: отечественная древесина не подходила для самолетов. И изобретение советских авиаинженеров оказалось кстати и вовремя. Так, Сергей Лавочкин (а именно он зашел к министру авиапромышленности с предложением использовать новый материал в истребителе) стал главным конструктором, а страна получила оружие победы.

В конце 1950-х в СССР, раньше чем в Японии, были получены высокопрочные углеродные волокна на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. Именно ПАН-прекурсоры сейчас используют и UMATEX и японские конкуренты. (Идея технологии в том, что при специальной термической обработке полимеров, в данном случае полиакрилонитрильных, остается каркас из очень плотных и прочных нитей, состоящих в основном из углерода.) 

Но в СССР композиты применялись хоть и широко, но в основном в оборонке и в авиаотрасли — или в боевых, или в военно-транспортных самолетах (первым гражданским с относительно широким использованием углепластиков стал Ил-96, поступивший в эксплуатацию в 1993 году). Такое положение дел не позволило удешевить производство композитов за счет гражданской продукции (а значит, достичь массовости) до тогдашнего западного уровня. Результат — распад отрасли, которая только сейчас обретает полноту.

Первыми забили тревогу структуры атомной промышленности, которым для нового поколения центрифуг потребовались более высокопрочные материалы, чем стеклопластик, а суммарные мощности оставшихся производств высокомодульного углеволокна едва переваливали за 200 тонн в год. Так внутри «Росатома» был создан UMATEX, который и выручил авиастроителей, когда им в очередной раз закрутили гайки американцы.

Дизайн тульской долины

«Индустриальный партнер реализации проекта “Композитная долина” — госкорпорация “Росатом”, — говорит Алексей Дюмин. — Одновременно участие в проекте подтвердили и другие якорные резиденты, такие как Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, научно-производственное объединение “Унихимтек” и еще порядка 40 технологических компаний. В течение 2021 года, пока идет проектирование долины, мы приглашаем всех участников отрасли — и предпринимателей, и ученых, и производственников — присоединиться к нашей работе, с тем чтобы вместе создать инфраструктуру долины, необходимую для развития композитной отрасли».

Замысел долины, как поясняет Виктор Авдеев, именно в комплексности: все компетенции, от науки до рынка, будут представлены в инфраструктуре долины и доступны для ее резидентов. Это компетенции по созданию волокна и связующего материала (основы, матрицы композита), по проектированию и созданию материала, конструированию целого изделия, компетенции и инфраструктура для испытаний и сертификации и выхода на рынок. 

«Долина — ключевой научно-инфраструктурный российский проект в сегменте композитов, — говорит Александр Тюнин, — предоставит доступ ученым, стартапам и другим участникам рынка к передовому научному оборудованию (лабораторному, малотоннажному и прочему). Планируется также создать центр сертификации и разработать современные обучающие программы. Фокус будет сделан на отстающие сегменты — на создание предприятий малотоннажной химии и опытно-промышленных производств композитных изделий.

Ключевая идея долины, таким образом, — это не расчет на то, что что-то само «вырастет» в условиях льгот инфраструктурной поддержки, а в проектировании недостающих звеньев отрасли, прежде всего в опытно-промышленном сегменте, в малотоннажной химии, в подготовке кадров, поскольку здесь очевиден разрыв между все еще неплохой научной базой и промышленностью. 

«Отраслевая наука в России находится на уровне мировой конъюнктуры, это и позволяет, несмотря на все трудности, двигаться в сторону импортозамещения, — говорит директор по науке и развитию научно-производственного предприятия “Полипластик”, ведущего российского производителя полимерных композиционных материалов на основе термопластов, председатель совета Союза переработчиков пластмасс Михаил Кацевман. — Сегодня в России на предприятиях, производящих полимерные композиты, существует один профильный НТЦ, который занимается разработкой рецептуры компаундов, исследованием их свойств — он входит в структуру НПП “Полипластик”. Поэтому, безусловно, создание ИНТЦ, подобных Композитной долине, должно помочь российской отрасли в решении наболевших вопросов — как минимум таких, как подготовка химиков (сегодня создавать компаунды не учат нигде), разработка новых рецептур и компонентов».

Тульская долина, вполне могла быть создана и не в Туле. Но именно в Туле сошлись объективные и субъективные факторы. Тульская область находится недалеко от столицы, это промышленный регион, с развитым хипромом. Участники отрасли говорят и о значении субъективного фактора — активности руководства региона. 

«Четыре года назад мы обратили внимание на 216-й Федеральный, который позволяет создавать в регионах инновационные научно-технологические центры в конкретных отраслях, — рассказывает губернатор Алексей Дюмин. — Для Тульской области мы выбрали композитную отрасль. Здесь по заказу крупнейших индустриальных игроков России будут создаваться, тестироваться и выходить в коммерческую серию материалы нового поколения, которые определят облик российской промышленности будущего. В рамках Композитной долины будут созданы Центр инновационных разработок и экспериментальной химии, научно-технологический полигон, Центр техногенной и экологический безопасности стран БРИКС, инжиниринговый центр и опытно-промышленные линии с самым современным оборудованием. Будем формировать центры подготовки кадров, кампусы, социальную инфраструктуру. Компаниям, готовым производить новые материалы в промышленных масштабах, мы предлагаем размещать производства в ОЭЗ “Узловая”, которая находится в непосредственной близости от Композитной долины. В течение шести лет центр должен выйти на проектную мощность, которая позволит фактически создать новую высокотехнологичную отрасль».

Где уже есть композиты

По итогам 2019 года Минпромторг России оценивает объем производства российской композитной отрасли на уровне 83,1 млрд рублей и сообщает о ее среднегодовом росте на 9,2% с 2013 года. Но это очень маленькая доля мирового рынка, около 1%. При этом к 2025 году эксперты прогнозируют десятикратный рост спроса на углеволокно, главный компонент композитов. 

Оценить внедрение полимерных композитов в России можно по поставкам лидера этого рынка группы — «Полипластика». 

«На первом месте автомобилестроение, на втором — гражданское строительство, на третьем — бытовая техника, на четвертом —электротехника, — говорит Михаил Кацевман. — В этих сегментах наиболее активно внедряются изделия из композитов. Например, для строительства производители полимерных труб, шлангов и фитингов выпустили в 2020 году 710 тысяч тонн изделий из полимеров — на 12,1 процента больше, чем в 2019 году. Пластиковые трубы теснят металлическую продукцию: в 2020 году в российской структуре теплоснабжения потребление металла составило не более 21 процента, 43 процента — полипропиленовые изделия, еще 31 процент — многослойные».

Председатель совета директоров АО РОТЕК Михаил Лифшиц сказал в интервью «Эксперту», что наиболее успешно новые композитные материалы внедряются в тех отраслях, где они не вступают в конфликт со старыми. «Это, например, ветроэнергетика, где никому в голову не приходило пытаться применить что-нибудь, кроме композитов, для производства лопастей, — говорит он. — Потому что изначально не было истории использования других материалов, соответственно, у инженеров не было предвзятости и привычек к чему-то».

Гендиректор UMATEX Александр Тюнин говорит о намечающемся спросе в целом ряде отраслей промышленности.

«Композиты востребованы в авиастроении, судостроении, энергетике, строительстве, создании спортивного инвентаря, — говорит он. — Система внешнего армирования композитами позволяет вернуть несущую способность конструктивных элементов зданий и сооружений. Баллоны, изготовленные из углеродного волокна, отличаются высокой прочностью и выдерживают давление в сотни атмосфер, при этом они в три-четыре раза легче металлических аналогов. А применение этого материала в создании деталей кузова автомобиля позволяет существенно снизить вес конструкции, повысить маневренность и топливную эффективность, что особенно актуально для производства электромобилей. В ветроэнергетике углеродные волокна используются для создания ребра жесткости в ветролопасти». 

Экономический эффект

Оценить потенциальный экономический эффект в случае использования композитных материалов сложно, потому что речь идет не только о возможном удешевлении и некотором улучшении свойств промышленных изделий, а о возможном качественном рывке и открытии новых рынков. 

«Как исходное сырье полимерные компаунды могут быть как в два раза дешевле, так и в несколько дороже традиционных материалов, если отнести к единице веса, — говорит г-н Кацевман. — Но в переработке, то есть в изделии, они намного более эффективны и технологичны, чем дерево или металл: например, крыло автомобиля гораздо проще и дешевле изготовить литьем под давлением из полимерного компаунда, чем штамповкой из металлического листа. Однако не только исходная стоимость и высочайшая производительность труда при переработке композитов дают хороший экономический эффект. При изготовлении изделий из компаундов есть возможность изменять функциональные свойства конечного продукта, придавать им такие физико-механические свойства, которыми никогда не будут обладать металл, дерево или резина. Стоит брать в расчет и так называемый косвенный экономический эффект. За счет применения пластиков в подкапотном пространстве и экстерьере автомобиля снижается его вес. Как следствие, уменьшается расход топлива».

Этот косвенный эффект можно оценивать даже по советскому опыту.

«В советском самолете Ан-124 “Руслан” было использовано 5,5 тонны деталей из композитов, что позволило сэкономить в течение периода эксплуатации не менее 18 тысяч тонн горючего, — говорит автор и создатель блога о композитах k-blog.ru (Белгород) машиностроитель Игорь Ярован. — Это была машина с наибольшим содержанием композиционных материалов в мировой авиации того времени. Применение композитов в ракете-носителе “Протон” принесло экономию в два с половиной миллиона долларов при каждом пуске. В “Боинге-747” (один процент композитов) использовалось более миллиона различных крепежных изделий. При производстве “Боинга-787” (50 процентов композитов) — менее десяти тысяч. По данным зарубежных нефтедобывающих компаний, использование стеклопластиковых труб сокращает количество порывов трубопроводов (следовательно, разливов нефти, простоев, экологического ущерба) в 14 раз. Примерно такие же результаты были достигнуты при использовании отечественных стеклопластиковых труб в сложнейших условиях северокавказских месторождений».

Еще важнее принципиально не прогнозируемый экономический эффект — пропуск в будущее. 

«При всей важности экономической составляющей, не стоит забывать, что не она стала причиной создания композиционных материалов в их сегодняшнем понимании, — говорит Игорь Ярован. — В начале 1960-х годов стало ясно, что характеристики традиционных материалов приближаются к своим физическим пределам. Этот барьер был преодолен во многом за счет создания композиционных материалов. Определяющую роль здесь сыграло противостояние СССР и США, где никто не мог позволить себе проиграть ракетно-ядерную гонку».

Сейчас это тоже вопрос мирового технологического лидерства.

«Используя композиты, можно получить совершенно новые потребительские свойства, — говорит руководитель направления технологий и инноваций холдинга ВХЗ.31 Владимир Кучеренко. — В этом случае исследователю необходимо доказать перспективность разработки, а производителю — сформировать спрос на изделие с новыми свойствами, но экономический эффект оценить довольно сложно. В продукции Владимирского химического завода (полимерные материалы для кабельной промышленности) мы идем по пути создания полимерных композиционных материалов для усиления известных потребительских свойств. Удорожание должно быть сбалансировано серьезным увеличение термостойкости, противопожарных свойств, морозостойкости, перерабатываемости. На уровне опытного производства мы выпускаем композиты с дискретной фазой субмикронного размера. Подобные материалы демонстрируют замечательные противопожарные свойства и низкое дымовыделение».

Инфраструктура Композитной долины в том числе призвана облегчить исследовательским группам и компаниям выход к опытно-промышленным образцам. 

Наше место в мире

«С изделиями из композиционных материалов в России все нормально, у нас проблема с сырьем для их изготовления, — считает Игорь Ярован. — Нам удалось сохранить прекрасно себя зарекомендовавшую при разработке МОКК “Буран” связку ВИАМ — ЦАГИ — ОНПП “Технология»” Работает ЦНИИСМ, УНИИКМ, НИИ “Графит” и некоторые другие предприятия, имеющие огромный опыт в разработке и внедрении. Можно вспомнить Су-33, экспериментальный стратегический бомбардировщик Сухого 052, МиГ 1.44 МФИ. В МОКК “Буран” неметаллические материалы составляли десять процентов от его веса, а углепластиковые створки, грузового отсека имели площадь 144 квадратных метров. Это если не упоминать композиты для МС-21». 

Но, несмотря на этот задел, есть и очевидные разрывы, понимание которых закладывается, судя по всему, в проект долины.

«Среди отстающих сегментов малотоннажная химия (особенно в части базовых компонентов) и технологии изготовления изделий из композитов, — говорит Александр Тюнин. — И эта область материаловедения дает пространство для развития, создания новых материалов и производств.

В сфере композитных полимеров, по утверждению Михаила Кацевмана, на протяжении последних двадцати лет примерно треть сырьевой базы приходится закупать за рубежом. «Многие добавки также приходится покупать за рубежом, и для большинства из них нет перспективы освоения в России, так как потребности у нас невелики», — говорит он. 

С ним отчасти согласен Игорь Ярован: «В России проблема не с композитами, а сырьем для их производства: некоторыми видами армирующих волокон, определенными смолами, вспомогательными материалами и так далее. К примеру, в Советском Союзе производилось и применялось порядка 500 типов отвердителей эпоксидных смол, в России, думаю, не более пары десятков. Эта проблема может быть решена только путем воссоздания так называемой большой химии. Малотоннажные производства не более чем временный выход. Нельзя выпускать продукцию высших переделов, не имея более низких, и это оставляя за кадром ее стоимость».

Михаил Кацевман говорит, что в сфере разработки рецептур для композитов мы отстаем от Запада на десять-двадцать лет. «Хотя научный потенциал у нас есть, и это внушает определенные надежды, — добавляет он. — Уже стали появляться разработки, способные конкурировать с зарубежными материалами, даже в использовании нанотехнологий. Есть в России разработки, уникальные даже для Европы. Но пока это скорее исключения, а всем бы хотелось, чтобы это стало правилом. Потому что сегодня просто невозможно представить себе развитие экономики без развития индустрии пластмасс».

Где сейчас гонка

Только за последние десять лет появилось несколько новых технологий, позволяющих расширить применение углеродных композитов. Это происходит прежде всего в рамках гонки за удешевление и массовое производство композитов. Например, поиски BMW AG в области удешевления производства композитных деталей привели к созданию относительно крупносерийной технологии, под которую построили целый завод в Лейпциге. Суть технологии в том, что в пресс-форму с уложенной тканью подается смола, как при вакуумной инфузии, после чего происходит горячая полимеризация под давлением. Такая технология вполне пригодна для производства до нескольких десятков тысяч автомобилей в год — не массово, но для нишевых машин вроде электрического BMW i3 может оказаться выгоднее, чем из штампованных стальных или алюминиевых панелей.

JAN WOITAS/DPA/PICTURE-ALLIANCE

Еще дальше в стремлении к технологичности пошли их конкуренты из Lamborghini. У них углеткань не укладывается предварительно за отсутствием таковой, а подается под давлением, запрессовывается и выпекается смола, предварительно перемешанная с короткими нитями углеволокна («лапшой»). Этот материал, получивший известность как «кованый карбон», отличается необычным внешним видом и еще лучшей, чем у BMW, технологичностью и пригодностью к относительной крупносерийности.

Еще одна альтернатива — отказ от смолы в пользу термопласта из группы полиэфиркетонов (ПЭЭК). Механические свойства нового материала сильно ниже «смоляных» композитов и востребованы в основном вне несущих конструкций, но работа над новым материалом продолжается, в том числе в российских лабораториях. 

Эволюционирует и само углеродное волокно. За десятилетия оно стало «чище» и «длиннее», появились технология и знания по оптимизации расположения и переплетения волокон, что позволяет делать композитные детали все легче, сочетая жесткость и эластичность в заданных направлениях нагрузок. С прочностью после удара еще не совсем хорошо, но с каждым новым поколением материалов все лучше и лучше. А вплетения в него теперь не ограничиваются резиной или арамидом. Например, ВИАМ (Всероссийский институт авиационных материалов) разработал композит, где в качестве армирующего компонента в углеткань вплетена медная проволока различной толщины. Как это часто бывает, разработка выполнена «в ответ» на зарубежные аналоги, которые нам не каждый продаст, да и не каждому позволят. 

Скачкообразное улучшение качеств материала способна дать их модификация нанотрубками. И здесь технологический приоритет у основанной в 2010 году в Новосибирске компании OCSiAl, абсолютного лидера в производстве одностенных нанотрубок. Они же, кстати, в последние годы занимаются и разработками нового термопласта и композита на его основе.

При этом очень важно понимать, что композиты — понятие гораздо более широкое, чем материал из волокна и полимера, как это часто воспринимается даже среди профессионального сообщества. Например, в производстве турбин чисто металлические жаропрочные сплавы достигли своего предела. Следующий этап развития — получение композиционных металлокерамических материалов, которые позволят поднять рабочую температуру турбины и, соответственно, ее эффективность. Создать такие материалы с заданными свойствами мы, в частности, можем благодаря аддитивным технологиям.

«На мой взгляд, наиболее востребованными будут комбинации металлов и композитов — особенно в двигателестроении, авиастроении, автопроме, — говорит Михаил Лифшиц. — Но чтобы новые материалы активно внедрялись, нужно формировать интерес не только у работающих сегодня инженеров, необходимо готовить студентов для использования этих материалов и технологий. Необходимы механизмы повышения квалификации конструкторов и технологов с точки зрения применения композитов в конечных изделиях».

Сейчас общее технологическое отставание от Запада отчасти компенсируется пусть точечными, но заметными прорывами. Но технологическая гонка продолжается, а значит, есть только два пути — вперед и вверх, к высоким технологиям. Или в могилу.

В подготовке статьи принимал участие Николай Ульянов.