«Мы живем в мире композитов»

— Что такое композиты?

— По сути это высокотехнологичное папье-маше. Как в детстве: берем бумагу, пропитываем клеем и выкладываем в так называемую матрицу — «негатив» формы будущего изделия. В промышленности мы, конечно, используем более технологичные материалы. Вместо бумаги — угле-, стекловолокно, базальтовые волокна и т. д. Вместо клея — эпоксидные, термопластичные и иные связующие. Мы управляем свойствами материала на уровне структуры, заранее программируя прочность, жесткость, термостойкость и другие характеристики будущего изделия.

— Как выбрать оптимальный материал?

— Материал выбирается в соответствии с задачей. Воплощая свою идею, инженер-конструктор всегда рассматривает условия эксплуатации будущего изделия. Какие нагрузки будет испытывать тот или иной элемент конструкции? При какой температуре ему предстоит работать? Есть ли ограничения по массе? Сколько он будет стоить? В итоге появляется список материалов, отвечающих всем важнейшим критериям; исходя из них становится понятно, какой тип материала будет оптимальным — композитный или «классический». Во многих случаях именно композитные материалы обеспечивают оптимальное соотношение характеристик. Если, например, важны прочностные характеристики при малом весе, то стоит выбрать стеклопластик или углепластик. Если в приоритете устойчивость к ударам, предпочтительны композиты на базе арамидных волокон и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ).

— Где используются композиты «Росатома»?

— Сложнее назвать отрасли промышленности, где они не используются. Конечно, пока рано говорить о массовом потреблении современных типов композитов — изделия из них все еще очень дороги. Но они уже активно вторгаются в повседневную жизнь: это спортивные товары и экипировка, например клюшки. Их делают на одном из наших заводов — «Заряд».

В ближайшем будущем самолет МС‑21 выйдет в серию и станет обслуживать внутренние рейсы. Его элементы, такие как крыло, хвостовое оперение, сделаны из композитов «Росатома».

Невозможно обойтись без композитов в энергетике — на атомных и ветроэлектростанциях.

— Приведите, пожалуйста, примеры.

— Лопасти ветрогенераторов изготавливаются из стекловолокна с углепластиковым силовым элементом — сердечником. Почему? Чем длиннее лопасть ветрогенератора, тем выше его производительность (КПД). Но очень длинная металлическая лопасть погнется и сломается под собственным весом. Поэтому используют стеклопластики. По прочности они недотягивают до стали, но при этом почти втрое легче. А углепластик так же прочен, как сталь, и легче в пять раз. Рекорд самой длинной лопасти сейчас за Китаем — 107 метров.

Что касается атомной энергетики, в открытых источниках пишут: в газовых центрифугах композиты применяются с середины 1970‑х годов. Они обеспечивают высокую прочность центрифуг, снижают их массу, помогают выдерживать колоссальные нагрузки.

— Когда композитные материалы станут более доступными?

— Это гонка, у которой нет конца. Любой новый материал сначала очень дорогой, потом стоимость его производства снижается. Когда-то и железо «кусалось»: оружие и доспехи из него могли позволить себе только богатые воины. Потом технологии добычи и переработки усовершенствовались, и цена значительно снизилась.

То же происходит и с углеродным волокном. В середине XX века его цена доходила до $ 500−700 за 1 кг (по курсу того времени). Сегодня она не превышает $ 20−30 для массовых типов волокон, а для отдельных специфических — $ 100. В целом за 50 лет стоимость углеродного волокна упала в 25 раз — неплохая скорость!

Технологическую цепочку получения углепластиковых композитов радикально сократить не получится, но я думаю, что в ближайшие годы их цена начнет снижаться (может быть, не так быстро, как хотелось бы) за счет применения новых технологий. Станут более доступными компоненты композитных материалов — волокна и связующие. Тогда композиты станут еще более востребованными и шире распространятся.

— И мы сможем полетать на композитных самолетах?

— Мы уже на них летаем. Это Boeing и Airbus, отечественные «Ту», «Илы» и «Яки». Доля композитов в них — 10%, 15% и т. д. В МС‑21 она порядка 40%.

На мой взгляд, изготавливать самолет полностью из композитов не имеет смысла, так как есть элементы конструкции, где лучше работают «классические» металлические и неметаллические материалы.

— А что вы скажете о возможности применения композитов в космосе?

— Можно сказать, ради космоса всё и начиналось. 10 лет назад затраты на вывод груза на орбиту составляли около $ 10 тыс. за 1 кг (неважно, о каком грузе идет речь — воде, питании для космонавтов или спутнике). Любое снижение массы — это экономия, как минимум, на топливе. Поэтому композиты используются в элементах ракет, спутников, солнечных батарей и т. д.

На заре космической эры некоторые элементы изготавливались из композитов, в которых использовались сапфировые или борные волокна, стоившие $ 2−2,5 тыс. за 1 кг. Старшие коллеги, занимавшиеся изготовлением боралюминиевых элементов для первых спутников ГЛОНАСС в 1980‑х годах, шутили: пара катушек борных волокон стоит как «Жигули». Углеродное волокно стало альтернативой более дорогим материалам. По физико-­механическим характеристикам оно им не уступает, а стоило тогда в 2−4 раза дешевле аналогов.

— Расскажите, пожалуйста, о ваших проектах. Чем вы занимаетесь в дивизионе?

— В департаменте мы ведем пул проектов, связанных с разработкой и внедрением новых технологий на наших промышленных площадках. Сегодня ключевая задача отрасли — снижение себестоимости производства композитных материалов, в первую очередь углеродного волокна.

Одно из направлений — ускоренная термостабилизация. Производство углеродного волокна занимает около 100 минут, из которых порядка 90 — фаза, когда исходное волокно-прекурсор медленно нагревается и подготавливается к высокотемпературной обработке. Это требует сложного оборудования и большого количества электроэнергии, то есть существенных финансовых затрат, влияющих на цену продукции. Мы разработали технологии, включающие использование двух разных методов и сокращающие этот этап с 90 до 30−40 минут. В лаборатории оба метода показали себя хорошо; сейчас мы их сравниваем и планируем внедрение в промышленность. Это снизит цену углеволокна и композитов на его основе.

— Что самое необычное делают из композитов?

— Мы ежегодно проводим молодежный фестиваль «Композиты без границ», в котором участвуют как крупные конструкторские бюро, так и небольшие частные бизнесы. В 2025‑м, например, компания «Проект Виктори», входящая в S7 Group, представила учебный одномоторный самолет Tango. Его лонжероны, фюзеляж, оперение, элементы механизации изготовлены из композитов.

Я видел композитные подставки под бокалы, кресла, музыкальные инструменты, автомобили и мотоциклы. Плетеная тканевая структура углепластика выглядит очень стильно и красиво. Самое забавное, что я встречал,—раковина для умывания. Смысла, конечно, никакого, но маркетинговый ход отличный — люди запомнили производителя.

В моду входит электротранспорт: беспилотные летающие аппараты, электромобили. Какое расстояние устройство пролетит или проедет на одном заряде батареи, зависит от его массы. Соответственно, логично облегчать как БПЛА, так и авто.

— Что самое необычное заказывали у «Росатома»?

— Мои коллеги делали корпус аппарата для брахитерапии — «Брахиума».

— А у вас дома есть что-нибудь композитное?

— Модели автомобилей, медальоны, сувениры. С интересом наблюдаю за развитием беспилотных летательных аппаратов — от небольших, размером с пятирублевую монету, до гигантов, поднимающих столько же груза, сколько вертолет Ми‑8. Периодически появляются необычные конструкции, например паукообразные, которые трансформируются прямо в воздухе. Взлетает квадрокоптер, в воздухе опускает винты — и дальше летит уже самолет.

Лет семь назад, когда это еще не было мейнстримом, я собрал квадрокоптер. В Интернете много подробных инструкций по сбору электроники, обеспечению связи, передаче видеосигнала. Есть даже готовые прошивки для управления всеми этими функциями. Руководствуясь одной из таких инструкций, я изготовил электронику для квадрокоптера, а потом — раму для небольшого БПЛА габаритами примерно 300×300 мм. Летает он нормально. Но использовать дрон мне было не так интересно, как собирать его. В итоге я отвез его к другу, на ферму его отца. Сейчас они с его помощью за коровами приглядывают, не выходя из дома.

— Расскажите, пожалуйста, о процессе изготовления композитного изделия на примере вашего беспилотника.

— Прежде всего я задал себе ряд вопросов: чего я хочу от беспилотника, какими будут его форма, размеры. Написал Т З, создал 3D-модель корпуса и расположения всех систем внутри него, изготовил модель матрицы. После этого составил программу для станка с ЧПУ и «материализовал» на нем матрицу. Далее — много циклов полировки поверхности и нанесения вспомогательной химии, пока изделие не стало похожим на зеркало.

А потом встал вопрос: как изготовить композитный материал? Есть три классических метода.

Первый — контактное формование, как с папье-маше: взял кисточку, пропитал углеткань эпоксидным связующим, уложил в форму и отвердил.

Второй — вакуумная инфузия. В форму укладывается ткань, все это запечатывается в вакуумную пленку, и откачивается воздух. Внутри — вакуум, снаружи — атмосферное давление. За счет разности давлений связующее всасывается внутрь через вспомогательную трубку, пропитывает ткань, распространяется по всей детали и отверждается. Но если в пленке появится маленькая дырочка, туда начнет засасываться воздух, образуются пузыри, после чего придется долго полировать поверхность уже готовой детали. Зато это очень красивый процесс. Его я и использовал для своего беспилотника.

Третий — автоклавное формование, самый удобный, быстрый, высокотехнологичный метод. Несколько слоев препрега — полуфабриката из углеродной ткани со связующим — укладываются в форму. Она помещается в вакуумную пленку и отправляется в автоклав. В мешке создается вакуум, автоклав нагревается, внутрь подается давление 5−7 атмосфер. В итоге препрег очень плотно прижимается к поверхности матрицы, что дает высокое качество поверхности и постоянную толщину итогового углепластика. Через несколько часов вытаскиваем готовое изделие, обрабатываем края — все готово.

— Производство композитов — довольно сложный процесс. А что вы можете сказать об их утилизации?

— Объем отходов от композитов пока невелик, но тем не менее именно сейчас важно озаботиться вопросами экологии и выстроить систему переработки, чтобы масштабирование производства шло параллельно с масштабированием и развитием технологий утилизации. Такие решения есть.

Современные композитные материалы — это углеродное либо стекловолокно, чаще всего в полимерной матрице. Эпоксидная, винилэфирная смолы разлагаются при температуре 400 °C. А волокну такие температуры не страшны.

В нашем дивизионе запущен проект рециклинга. Некондиционные или отработавшие свой ресурс изделия будут отжигаться в специальной печи. Полимерное связующее при этом разлагается, а из освободившегося волокна можно сделать, например, нетканый материал для фильтра или теплоизоляции, или перемолоть его в углеродную пыль. Эту пыль можно добавить в полиамид‑6, конструкционный пластик, популярный в аддитивных технологиях.

Помню опрос, который «Большая перемена» проводила среди школьников: что можно сделать с отработавшей свой ресурс стеклопластиковой лопастью? У ребят были классные предложения, например, пешеходные мосты, детские и спортивные площадки, арт-объекты. Потенциал для рециклинга огромный.

— Как меняются материалы в соответствии с требованиями энергетики будущего? Какие решения могут перевернуть отрасль?

— Задачи всех крупных игроков понятны: снижение себестоимости, широкое распространение, открытие новых направлений. Композитный материал должен работать не только с реактопластичными связующими, такими как эпоксидные, отвердевающими раз навсегда. Углеродные волокна должны сочетаться с новыми типами матриц: термопластами, металлами, керамикой. Но нельзя просто взять два компонента и смешать их. Нужно заставить волокно и матрицу работать вместе, как единое целое. Тогда мы получим настоящий композитный материал. Для этого на волокна нужно нанести специальные покрытия или провести их обработку.

Например, мы активно работаем с полимерными композитными материалами (ПКМ). У них есть существенный недостаток — рабочая температура небольшая (не выше 120−300 °С, в зависимости от типа используемой матрицы). Если нагреть ПКМ выше этой отметки, матрица начинает разрушаться, разлагаться и даже может сгореть. В то же время есть углерод-­углеродные композитные материалы, где в качестве матрицы выступает углерод, а армирующего наполнителя — углеродное волокно. Такие композиты в инертной среде выдерживают нагрев до 2000 °C, их прочностные характеристики хуже, чем у ПКМ. Следовательно, нужны промежуточные решения, сочетающие преимущества обоих материалов — хорошие прочностные характеристики при приемлемой термостойкости.

В этом направлении мы тоже работаем: создаем композитный материал из углеродного волокна и металлической матрицы, чтобы в нем вместе работали титан и углеродное волокно. Конечно, можно попробовать пропитать углеродное волокно титаном, но при температуре пропитки 1400 °C оно просто растворится. Произойдет реакция с образованием карбида титана — очень хрупкого соединения, и прочностные характеристики изделия окажутся ниже, чем у титана.

Мы сотрудничаем с Институтом физики твердого тела. Они разрабатывают такой тип композитных материалов и решают вопросы с технологией изготовления композита: как пропитать волокно титаном, какую температуру установить, какое давление приложить в процессе формования и т. д. Мы, со своей стороны, занялись созданием защитного слоя. Придумали барьерные покрытия, препятствующие прямому контакту волокна и титановой матрицы, что снижает образование хрупких карбидов.

Предложенные нами идеи сработали. Сейчас мы пытаемся внедрить разработку в промышленность. Будем изготавливать небольшие партии для заинтересованных бизнесов. Такой композит может пригодиться, например, при изготовлении авиационных двигателей, самолетов.

Запрос на материалы будущего формулируем не только мы, разработчики, но и ученые, производители, потребители. Например, к нам с конкретными запросами часто приходят институты РАН.

— Как 3D-печать и искусственный интеллект влияют на создание новых материалов?

— Искусственный интеллект сегодня — это помощник. Он ускоряет расчеты, но не может заменить разработчика.

А 3D-печать — мощный инструмент прототипирования оборудования, образцов и проч. Особенно интересна печать с непрерывным углеродным волокном.

Также актуальна автоматическая выкладка материалов роботами: промышленный робот непрерывно подает углеродную ленту с нанесенным на нее связующим на заготовку. Система обрезает и формует края. Это уже близко к промышленному будущему.

— А когда появятся композитные материалы, которые сами себя чинят?

— Когда на них возникнет массовый запрос. Попытки создать подобные материалы предпринимаются очень активно, среди них есть довольно успешные. Недавно я прочитал о том, что разработчики создали особые добавки к бетону. Подобные работы ведутся и в композитной отрасли. Однако надо понимать: говоря о «самовосстанавливающемся материале», мы всегда имеем в виду ликвидацию мелких дефектов и микротрещин, возникающих при эксплуатации.

— Если бы вам дали неограниченный бюджет, на что бы вы его потратили?

— Собрал бы новую установку для нанесения защитных покрытий и обеспечения работы углеродных волокон с металлическими матрицами.

— С какими заблуждениями вы сталкиваетесь чаще всего?

— Что композиты — это нечто далекое, сфера «высокой науки». На самом деле самый древний композит — это саманный кирпич, ему уже около 5 тыс. лет. А технология его изготовления такая: смешали глину и солому, высушили на солнце или обожгли в печи. Железобетон — это композит, фанера — тоже композит, печатные платы — из композита. Мы живем в мире композитов, просто не всегда это осознаем. И все ближе момент, когда мы начнем массово выпускать современные композитные материалы.

В 2015 году «Росатом» открыл в Татарстане завод «Алабуга-­Волокно» производительностью до 1 тыс. тонн углеволокна в год. Раньше я часто слышал, что такой большой завод не нужен, востребованы всего 300 тонн в год, а остальное лишнее, спроса не будет. Прошло 10 лет, и заказчики наперебой сетуют, что им не хватает волокна, нужно существенно больше. Поэтому мы планируем дальнейшее расширение наших производственных мощностей.