Автор Максат Камысов
В современном мире новые технологии развиваются чрезвычайно высокими темпами. Это прежде всего касается высокотехнологичных отраслей – широкое распространение получает автоматизация, добираются до обывателя технологии искусственного интеллекта, стабильно растут технологии обработки и использования данных. Однако прогресс касается не только информационных технологий, более традиционные отрасли тоже получают свой «кусок пирога» – развиваются и материалы.
Разработка и создание новых материалов, которые оказались бы прочнее, легче и надежнее, всегда были необходимостью и лежали в основе прогресса многих отраслей. Инструменты и механизмы обретали новые формы по мере развития материалов. Этот процесс продолжается до сих пор, и сегодняшнюю индустрию уже сложно представить без такой вещи, как композитные материалы.
Композиты состоят из нескольких компонентов, которые имеют разные физические и химические свойства и в сочетании образуют материал, обладающий новыми свойствами и характеристиками. Зачастую эти характеристики связаны с прочностью, весом, износостойкостью и другими параметрами, способными сделать изделия надежнее, а их применение – эффективнее.
Такое общее определение позволяет относить к композитам огромное количество материалов, но что общего, например, у саманного кирпича и углеволоконного «черного» крыла самолета МС-21? Если коротко, то это структура: и кирпич, и крыло изготовлены из материала, который состоит из двух элементов – матрицы и армирующего наполнителя. В случае с кирпичом основой для композита выступают простые глина и растительные волокна, в ситуации с самолетом – сложные углеродные соединения.
Идея использования комбинированных материалов не нова, однако композиты в современном понимании возникли только с развитием химической промышленности. Вследствие этого композитные материалы имеют широкое разнообразие – существуют композиты на основе металлов и керамики, разрабатываются био- и нанокомпозиты, однако самыми распространенными эксперты называют полимерные композитные материалы. В них роль матрицы выполняет полимерный материал, чаще всего это синтетическая смола, а в качестве армирующего наполнителя выступает углеродное или стеклянное волокно. Сегодня такие композиты широко применяются в аэрокосмической отрасли, судостроении и других отраслях, где к материалам предъявляются особые требования по прочности и весу. Например, в ракетостроении, где от веса изделия напрямую зависит расход топлива.
Композитные материалы составляют порядка 50% от массы планера в современных пассажирских самолетах. Но это не предел: в некоторых истребителях и военных вертолетах доля композиционных материалов может достигать 90% от веса планера
Алексей Кепман, кандидат химических наук, заведующий лаборатории химии и технологии композиционных материалов МГУ
На сегодняшний день существует два основных способа производства композитных элементов – автоклавный и инфузионный. Первый представляет собой классический метод, в котором для производства композита формируют «сэндвич»: его внутренний слой составляют алюминиевые соты, которые затем в процессе выкладки покрываются сотнями слоев углепластика, потом изделие отправляется в автоклав, устройство, где под действием давления материалы прессуются в деталь. Основным недостатком этого метода специалисты считают невозможность изготовления сложных монолитных деталей. Второй способ – инфузионная технология, она компенсирует недостаток первого и позволяет изготовлять сложные конструкции. При применении этого способа композиты формируются за счет пропитки изделия связующим веществом в вакууме, вследствие чего все пустоты заполняются смолой.
Технологически производство композитов все еще остается сложным и дорогостоящим, что оставляет их применение прерогативой высокотехнологичных отраслей. Однако эксперты отмечают тренд к удешевлению на фоне достижения зрелости технологии в развитых странах. Так, композитные материалы постепенно становятся доступными для более широкого круга отраслей – сегодня их применяют в производстве средств индивидуальной защиты, спортивных товаров, обуви, имплантов и прочих изделий. По мнению отраслевых аналитиков, этот список будет пополняться и рынок станет расти.
Мировой рынок полимерных композитов
Применение полимерных композитных материалов в различных областях формирует достаточно крупный и стабильный рынок. По оценкам экспертов, в 2022 году объем мирового рынка композитов составил порядка 93,5 млрд долларов, а к 2030 году он достигнет отметки в 151,3 млрд, при этом среднегодовой прирост составит 6,2%. В натуральном выражении к 2030 году на рынке будет представлено порядка 16,4 млн тонн полимерных композитов (рис. 1).
Технологическое лидерство в производстве композитов принадлежит компаниям Hexcel (США), Toray Industries (Япония), SGL Carbon SE (Германия), АО «Юматекс» (Россия). На сегодняшний день лидером отрасли выступает Северная Америка, которая занимает порядка 30% общего объема рынка, на Европу приходится 21%, однако ожидается, что в десятилетней перспективе ситуация изменится за счет достижения зрелости отрасли в двух ведущих регионах. Так, наиболее быстрорастущим, как и во многих других высокотехнологичных отраслях, станет Азиатско-Тихоокеанский регион, прежде всего за счет Китая, где в десятилетней перспективе ожидается пятикратное расширение отрасли.
Рост индустрии эксперты связывают с активным применением композитных материалов в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, судостроении, строительстве и энергетике. Важным фактором для роста отраслевые аналитики называют гибкость и способность выстраивать технологии производства под нужды заказчика. Сегодня количество производственных отраслей, использующих композитные материалы, сравнительно невелико, прежде всего из-за их дороговизны. По мере развития производственных технологий стоимость производства композитных материалов ожидаемо снизится, что также простимулирует рост.
Еще одним драйвером развития, по мнению аналитиков, должна стать государственная поддержка. Так, в США действует программа «Геном материала» с общим бюджетом в 100 млн долларов, аналогичная программа есть и в Китае. Европейский Союз также продолжает выделять средства на «развитие направления перспективных материалов и промышленных технологий», в 2020 году поддержка составила более 200 млн евро. Средства идут на создание и развитие производственной инфраструктуры, фундаментальные исследования и внедрение композитных материалов в производственные отрасли.
Помимо гражданских проектов, полимерные композиты применяют и в военной отрасли, в частности, в судостроении, что также поддерживает государство. Так, в Соединенных Штатах разработка и внедрение композитов в военную технику и вооружение включены в число технологий, критически важных для развития вооруженных сил. Во Франции разработана и действует национальная программа по применению полимерных композитов в морской технике, в реализации которой участвуют кораблестроительные предприятия, исследовательские институты, университеты и другие организации. Аналогичные программы и работы выполняются в Великобритании и Швеции.
В то же время для рынка существуют и сдерживающие факторы. Поскольку композитные материалы созданы искусственно и слабо подвержены естественным процессам разложения, остро встает вопрос об их утилизации. На сегодняшний день объем композитных отходов еще не так велик, но по мере распространения их использования и вывода из эксплуатации эта проблема будет становиться все более радикальной и сможет серьезно замедлить продвижение отрасли в развитых странах, в которых экологическая повестка выходит на первый план.
Еще одна проблема – сам производственный процесс, который может привести к дисбалансу между спросом и предложением. Несмотря на то, что потребители проявляют все больший интерес к композитам, изготовление изделий из них – это по-прежнему в большей степени практически ручное производство, и игроки отрасли так и не смогли достичь значимых успехов в автоматизации процесса. Это чревато тем, что производители не смогут обеспечивать растущий спрос. Правда, этот риск оценивается как маловероятный, в частности, из-за бурного развития сопряженных с автоматизацией технологий.
Композиты в России
Доля России на мировом рынке композитов скромна и составляет порядка 1%, объем потребления также невысок относительно развитых стран – 0,5 кг на душу населения против 4–10 кг в среднем в мире (рис. 2). Однако эксперты утверждают, что российская промышленность обладает потенциалом, необходимым для развития отрасли. Так, по различным оценкам, ожидается, что в ближайшие годы российская доля на мировом рынке возрастет до 4%, однако более сдержанные прогнозы такой прирост ставят под сомнение, из них следует, что рост отрасли будет скромнее ввиду импортозависимости отрасли в России. Особенно остро проблема встала в середине 2022 года, когда поставщики сырья и оборудования стали покидать российский рынок.
Проблема импортозависимости в той или иной степени коснулась всей композитной отрасли. Пострадали связующие материалы, например, полиэфирные смолы, где по итогам 2021 года уровень импортозависимости составлял, по различным оценкам, от 40 до 70%. Отечественная промышленность предпринимает попытки сократить сырьевую зависимость и открывает новые предприятия, направленные на развитие внутреннего выпуска смол. Так, на конец 2022 года число компаний, занятых в производстве связующих смол, в том числе и для композитов, достигло десяти. Среди лидеров по производству отраслевые эксперты отмечают ООО «Дугалак», ООО «Радуга-синтез», ГК «Аттика», АО «Камтэкс-Полиэфиры», ООО «Полимерпром», АО «Электроизолит», АО «Пермские полиэфиры».
Однако, несмотря на это, производители конечных изделий, ранее работавшие преимущественно на импортных смолах, высказывают недовольство нестабильностью характеристик отечественных продуктов и жалуются на узкий ассортимент. Пострадали от санкций и эпоксидные смолы, которые широко используются как в производстве композитов, так и в лакокрасочной промышленности. В 2022 году российский рынок покинули два основных поставщика эпоксидной смолы – Южная Корея и Германия, при этом собственное производство ее в России составляет порядка 10%. Наиболее острой проблемой эксперты считают дефицит сырья, и эта проблема еще не решена.
Относительно армирующих материалов сложилась неоднозначная ситуация – с одной стороны, за прошедший год производство некоторых их видов сократилось, например, выпуск стекловолокна, по различным оценкам, упал на 12–24%. С другой стороны, на производстве углеродного волокна санкции и ограничение сказались не так критично. Стекловолокно пострадало больше за счет структуры импорта, где значительные позиции занимали США и Германия, которые ушли с российского рынка. Однако аналитики считают, что ключевые участники рынка способны удовлетворить внутренний спрос. Среди лидеров рынка – АО «ОС Стекловолокно», АО «НПО «Стеклопластик», АО «Стеклонит», ООО «П-Д Татнефть – Алабуга Стекловолокно».
В случае с углеродными волокнами ситуация обстоит иначе: отрасль углеродного волокна стала развиваться в России сравнительно недавно – первый завод по производству стратегического сырья для углеродного волокна заработал в 2021 году, уже после того как ввели ряд ограничений, поэтому, как сообщают эксперты, новая волна санкций не так жестко ударила по индустрии. Крупнейшие игроки на рынке углеволокон – ООО «Алабуга-Волокно», ООО «Аргон», ООО «ЗУКМ».
При всех условиях в стране сохраняется спрос на полимерные композиты в стратегически важных отраслях, среди которых авиастроение, ракетостроение, кораблестроение, производство вооружений и прочие. Более того, спрос продолжает расти, и государство как основной заказчик вынуждено предпринимать действия по поддержке производителей. Как и для большинства высокотехнологичных отраслей, развитие производства композитов в России связано с госструктурами. Ведущими разработчиками и производителями композитных материалов выступает «Росатом» и его дочерние организации. Это, с одной стороны, упрощает взаимодействие между государством и игроками рынка, но в то же время негативно сказывается на конкуренции.
Приходит эпоха композитных материалов, необходимо активно двигаться в этом направлении. Уклад нашей с вами жизни характеризуют всего два конкретных физических показателя – это вес и скорость. Мы каждый день встаем и проверяем свой вес и каждый день стараемся побыстрее сделать то, что вчера сделали чуть медленнее. И то же самое происходит во всех абсолютно областях. Композиты – это материал, который отвечает на новые вызовы, позволяет снизить вес и ускорить перемещение
Кирилл Липа, генеральный директор и совладелец АО «Трансмашхолдинг»
Для развития производства полимерных композитов в России предусмотрена дорожная карта, содержащая в себе различные инструменты поддержки. Один из таких инструментов – это комплексная научно-техническая программа полного инновационного цикла на период 2021–2025 годов «Новые композиционные материалы: технологии конструирования и производства» (КНТП) с участием ведущих игроков российского рынка, промышленных предприятий, исследовательских институтов и университетов. Программа призвана скоординировать работу компаний и научных организаций для разработки и производства новых композитов, а также для создания научно-производственной инфраструктуры и проведения широкого спектра фундаментальных исследований.
Для развития формируемых в рамках КНТП научных заделов в дорожной карте предусмотрено создание научно-производственной инфраструктуры в рамках Инновационного научно-технологического центра «Композитная долина» в Тульской области (ИНТЦ). Ключевая задача ИНТЦ – обеспечение участников российского композитного рынка необходимой инфраструктурой для реализации цикла создания новых материалов от научных разработок до мелкосерийного производства.
Государство также прибегает к мерам по стимулированию спроса, субсидированию затрат на сертификацию, компенсации части затрат на приобретение и использование композитных материалов и изделий вместо традиционных материалов и прочим мерам поддержки. Ожидается, что результатом стимулирующей деятельности со стороны государства должен стать двухкратный рост отрасли к 2030 году. Так, объем российского рынка должен вырасти до суммы порядка 2 млрд долларов.
В то же время эксперты считают, что в новых условиях нынешних мер поддержки не всегда достаточно. Рост отечественной композитной отрасли во многом зависит от способности поддерживать спрос на высокотехнологичные изделия, что, в свою очередь, находится в прямой зависимости от общего положения в экономике. Отраслевые аналитики считают, что в стране предпринимаются недостаточные меры по распространению композитных материалов в прочие производственные отрасли, за исключением авиации, ракетостроения, судостроения и двигателестроения. Во многом это происходит из-за медлительности принятия решений и регуляторных барьеров в некоторых отраслях.
Композиты в авиастроении
С учетом всех имеющихся вводных эксперты делают вывод, что крупнейшим сегментом на рынке композитов в ближайшем десятилетии останется авиастроение – там композитные материалы широко используются в производстве ключевых узлов летательных аппаратов. Это происходит из-за тренда на снижение массы конструкции. Преимущество композитов на фоне других материалов состоит в том, что их применение позволяет сохранить прочностные характеристики при снижении массы изделия. Композиты имеют высокую устойчивость к коррозии и высокие усталостные характеристики. Из углепластика изготавливаются части фюзеляжа, крылья, хвостовое оперение, мотогондолы, арамидные ткани используются для производства нижней части фюзеляжа и пилонов авиадвигателя, а стеклопластик применяется для ненагруженных деталей, таких как приемники воздушного давления, воздухозаборник вспомогательной силовой установки и прочие, а также носовой обтекатель.
Помимо полимерных композитов, в авиастроении также распространены металлокомпозиты. Так, зарубежные двигателе- и авиастроительные компании, такие как Rolls-Royce, FMW Composite Systems Inc, Pratt&Whitney, активно применяют металлические композиционные материалы на основе титановых сплавов. По результатам проведенных испытаний было выявлено, что изготовленные из титановых композитов лопатки компрессора низкого и высокого давления на 30% легче аналогичных, выполненных из традиционных материалов. Такая замена материала позволяет увеличить размеры без необходимости изменения других характеристик.
Крупнейшие потребители композитов в авиации на сегодняшний день – это производители авиалайнеров, которые активно применяют полимерные композитные материалы в производстве гражданских самолетов. Так, в структуре используемых материалов для самолета Airbus A350 использование полимерных композитов достигает 53%, Boeing 787 – 50%, Bombardier C-Series – 46%. В конструкции некоторых российских лайнеров также используют полимерные композиты – в Ту-204 порядка 25% деталей из композитных материалов, в том числе механизация крыла, а также панели люков, полов и интерьера. В самолете Sukhoi Superjet 100 из композитных материалов выполнены закрылки, створки шасси, обтекатели и другие элементы, однако наибольшее количество композитных деталей использовано в МС-21, там их порядка 35% от общего количества (рис. 3).
Особенностью конструкции МС-21 стало крыло, полностью выполненное из углепластика. Оно облегчает конструкцию самолета и удешевляет его эксплуатацию за счет сокращения потребления топлива. Специалисты подсчитали, что за весь срок эксплуатации МС-21 – по сравнению с аналогичным самолетом, но с алюминиевым крылом, – израсходует на 8% меньше топлива, что в натуральном выражении составит порядка 11 тыс. тонн.
Также использование композитных элементов в самолетах оправданно и за счет их устойчивости к распространению повреждений – в частности, трещины, которые могут появиться вследствие эксплуатации, не распространяются дальше поврежденной зоны, и это свойство значительно увеличивает ресурс использования углепластиковых деталей. Облегчение конструкции также позволяет установить на борт дополнительное оборудование, что обеспечивает большую безопасность полета.
Примечательная особенность проекта МС-21 состоит в том, что для его производства, по словам его разработчиков – корпорации «Иркут», используются композиты российского производства, поскольку после введения санкций, запрещающих компаниям Hexcel (США) и Toray Industries (Япония) поставлять в Россию композитные материалы, поставки из-за рубежа прекратились. Однако ОАК, в состав которой входит «Иркут», имеет технологическую базу, позволяющую наладить поставки отечественного углепластика. Завод «АэроКомпозит-Ульяновск» – единственный завод в России, который производит авиадетали из композитных материалов, смог предоставить для проекта МС-21 «черное», полностью композитное крыло.
Однако композиты – это не панацея, и помимо преимуществ, они имеют и характерные недостатки. Прежде всего, эксперты отмечают высокую стоимость, которая делает окупаемость возможной только при длительной эксплуатации, а также низкую ударную сопротивляемость, что ограничивает перечень деталей, в которых могут быть использованы композиты, их ядовитость при изготовлении и невысокую эксплуатационную технологичность, что характерно для технологии, которая на текущем этапе внедрена ограниченно. Однако при всех недостатках применение композитов имеет больше плюсов, чем минусов, и по мере расширения внедрения в самолетостроение технологии будут совершенствоваться.
Композиты в судостроении
Отрасль судостроения также не остается в стороне от прогресса. Полимерные композиты постепенно внедряются в производство судов и вытесняют традиционные материалы. Сегодня полимерные композиты используются для производства корпусов тральщиков, батискафов, надстроек судов с металлическими корпусами и более мелких изделий и комплектующих для судов, среди которых судовые двери, крышки люков, корабельные винты, мачты, валы, кран-балки, спасательные шлюпки, баллоны воздуха высокого давления, контейнеры и прочее.
Применение всего этого спектра изделий позволяет, как и в авиастроительной отрасли, значительно снизить массу судов, сократить эксплуатационные расходы, увеличить долговечность и периоды межремонтной эксплуатации. К положительным сторонам использования композитов специалисты относят снижение расхода топлива, высокие показатели сопротивляемости коррозии и старению, скоростные характеристики, низкий уровень шума и видимости. В судостроении высокую ценность обретает гибкость технологии производства полимерных композитов – возможность проектировать конструкции из композитов с требуемыми характеристиками. Незаменимы и приобретаемые акустические свойства изделия, его способность к радиопоглощению или звукопрозрачность.
На сегодня многие из промышленно развитых стран внедряют композитные материалы в производство как гражданских судов, так и военных кораблей. Для гражданского сегмента производятся спортивные лодки и яхты, например, 48M Super Sport производства Palmer Johnson, корпус которой сделан полностью из углепластика, что существенно облегчает конструкцию и позволяет экономично расходовать топливо. Производятся также и рабочие суда и катера – британская компания CTruk, например, использует композиты в производстве судна MPC 19, которое используется для обслуживания потребностей сектора морских ветроэлектростанций.
Благодаря ряду свойств композиты постепенно распространяются и в военном кораблестроении. Применение полимерных композитов позволяет кораблям быть менее заметными для радиолокационных устройств и инфракрасных систем потенциального противника, что отчасти делает корабль «невидимым». Известным примером может служить серия шведских корветов проекта Visby, корпус и надстройка которых имеют трехслойную конструкцию, которая состоит из трехслойных полимерных сэндвич-панелей, армированных углеволокном. Использование композитов обеспечивает радиопоглощение и делает корвет малозаметным для радаров. Также у военных кораблестроителей спросом пользуется стеклопластик, из которого в индустриально развитых странах серийно строят корабли противоминной обороны: в упомянутой уже Швеции производят корабли проекта Landsoft, в Бельгии, Нидерландах и Франции – Tripartite, в Великобритании Sandown и Hunt, а в США – Osprey.
Однако из композитов строят и крупные корабли, более всех в этом преуспели американские кораблестроители с эсминцем типа Zumwalt, DDG-1000, водоизмещением в 15 тыс. тонн. Надстройка корабля состоит из углепластика и других полимерных композитов и весит порядка 900 тонн, что в несколько раз меньше аналогичной надстройки из традиционных материалов.
В отечественном кораблестроении также используются композитные материалы. Например, на базе «Средне-Невского судостроительного завода» строятся композитные корабли военного назначения. На предприятии производят базовые тральщики проекта 12700 «Александрит» и рейдовые тральщики проекта 10750Э, корпуса которых выполнены из монолитного стеклопластика, полученного инфузионным методом. На том же заводе производятся и гражданские суда из композита – первым композитным судном в России стал пассажирский катамаран проекта 23290 «Грифон».
Будущее
Для того чтобы прийти к своей современной форме, композиты преодолели долгий путь и превратились из простой идеи объединения двух материалов в наукоемкую высокотехнологичную отрасль. Но это не предел, развитие технологий продолжается, они все больше взаимопроникают друг в друга, и теперь вместо того, чтобы методом проб и ошибок объединять известные материалы, инженеры подходят к созданию новых материалов целенаправленно, вырабатывая определенные свойства. Вероятно, уже в ближайшем будущем отрасль ждут некоторые изменения – отраслевые эксперты считают, что в скором времени разработка материалов будет оцифрована, а к работе над созданием новых образцов будут привлекаться технологии искусственного интеллекта.
Сегодня – это единичные случаи, но прецеденты уже имеются. Так, группа исследователей из Северо-Западного университета Чикаго в сотрудничестве с Национальной ускорительной лабораторией SLAC Стэнфордского университета разработала несколько новых видов композитного металлического стекла с помощью технологий ИИ. И в дальнейшем применение искусственного интеллекта, вероятно, будет расширяться. Специально обученные нейросети в потенциале смогут создавать эффективные комбинации из материалов по запросу, хотя, тем не менее, эти комбинации нужно будет проверять экспериментально.
Также эксперты считают, что развитие получат биокомпозитные материалы, с помощью которых будут создаваться биоразлагаемые заживляющие повязки и имплантаты, которые смогут рассасываться по мере восстановления и роста здоровых тканей, а также специальные композитные системы доставки в организм лекарственных средств, что стало бы логичным развитием таких технологий, как, например, инсулиновые помпы. С помощью нанокомпозитов инженеры смогут выращивать искусственные костные имплантаты, а также и другие изделия, в том числе и для электроники.
©«Новый оборонный заказ. Стратегии»
№ 3 (80), 2023 г., Санкт-Петербург
