Металл vs композит: главное — не материалы, а новые технологические решения

Работа с наночастицами открывает бесконечные возможности управления свойствами материалов. Используя наночастицы как добавки, можно улучшить качество топлива, защитных и упрочняющих пленок, металлических и полимерных изделий, лекарственных препаратов, красок, текстиля, бумаги и т. д. Несмотря на относительно недавнее начало работ в этой области, уже сегодня можно говорить о том, что нанотехнологии не только повышают эффективность использования существующих материалов, но и создают новые продукты, способные видоизменить целые отрасли.

 

 

Смогут ли нанотехнологии совершить революцию, сделать промышленные и потребительские товары более долговечными, качественными и компактными, и вместе с тем более дешевыми? Ответы на эти вопросы пытались найти участники панельной дискуссии «Способны ли нанотехнологии совершить революцию в материалах?» на прошедшем форуме «Открытые инновации».

По мнению председателя Правления ОАО «РОСНАНО» Анатолия Чубайса, в настоящее время наблюдается некий дисбаланс в вопросах энергоэффективности, что оставляет в тени проблему материалоэффективности. 

На сегодня базовые материалы -  это металл и сплавы, пластик, цемент, бетон. Именно поэтому фундаментальные свойства базовых материалов не менее важны, чем энергоэфективность. 

«Фундаментальное увеличение эффективности базовых материалов способно радикально повысить вообще эффективность техносферы. Пример — автомобиль: он перевозит пять человек по 100 кг при собственной массе 2000 кг. То есть КПД — 25 %. Но если снизить вес автомобиля в два раза, произойдет рост КПД, сокращение объемов используемых материалов, уменьшение энергозатрат для обработки материала, сокращение транспортных затрат на перевозки, снижение объемов использования железной руды и кокса, руд цветных металлов. Увеличение фундаментальных прочностных свойств базовых материалов по масштабу своего влияния на техносферу сопоставимо с информационно-коммуникационными технологиями, проблемами энергоэффективности», — отметил Анатолий Чубайс.

Леонид Меламед, генеральный директор ХК «Композит», отметивший, что металл как конструкционный материал с первого места переместится на второе, отдав главенствующую роль композиционным материалам. В частности, на смену в первую очередь придут стеклокомпозиты, которые производятся в значительных количествах — 6-7 млн тонн изделий из стеклопластика сегодня присутствует на мировом рынке. Следующий материал — это углеродное волокно или карбон. Возник большой интерес к базальтопластикам — этого сырья еще больше, чем материалов для производства стеклокомпозитов, да и сами технологии проще.

Базовые плюсы композитов: они, несмотря на более высокую стоимость как самих материалов, так и конечных продуктов, обладают целым рядом базовых качеств. Во-первых, принципиально более высокая достижимая прочность. Во-вторых, сами материалы могут быть «умными»: технологии производства изделий из этого сырья приводят к тому, что продукт может обладать разными качествами, программируемыми заранее на плоскости или в объеме, что тяжело сделать с металлами. Третье преимущество — это практически нулевая коррозия. Еще одним преимуществом композитных материалов является то, что в один проход можно изготовить гораздо более сложные формы. Технологии позволяют делать узел, который в металле бы состоял из 80 механических соединений!

В то же время базовые преимущества металлов — это низкая стоимость, отработанные технологии, а также крупносерийные технологии по производству изделий. С усовершенствованием технологий основной минус композитов — высокая стоимость — будет постепенно снижаться. Пример массовой обработки и применения композитных материалов продемонстрировала компания BMW, ведущий автопроизводитель.  Итогом 15-летней работы в условиях высокой секретности стала технология массового изготовления деталей из карбона, где счет времени изготовления измеряется десятками секунд, а не часами, как это было в аэрокосмической промышленности. 

«Многие задаются вопросом — почему BMW решила выпустить карбоновый автомобиль, который, кстати, увидит свет уже в 2013 г., — говорит Леонид Меламед. — Делать акцент на том, что карбон более легкий и прочный материал, экономит топливо — бессмысленно, так как автомобиль получается на 50 % дороже, чем из металла. Мы даже выстроили кривую, чтобы понять, какая должна быть цена на нефть, чтобы оправдать применение карбона. Выяснилось, что баррель должен стоить более 300 долларов. Так что же знают в BMW, чего не знаем мы? И когда все же удалось «расколоть» этот кейс, выяснилось, что применение карбона позволило компании в четыре раза сократить общее количество деталей. В итоге это позволило иметь экономику, которая, несмотря на 20-кратную разницу в стоимости карбона, делает ставку на него». 

Поэтому мы ожидаем, что эта добавочная цепочка стоимости композиционных материалов, которая вызвана отсутствием массовых технологий, будет интенсивно и кардинально сокращаться и приведет к тому, что композиционные материалы будут втягиваться во все более широкие отрасли промышленности. Значит, чем больше они втянутся, тем больше будет масштаб производства и, соответственно, падение цен. По прогнозам специалистов есть большой запас по снижению стоимости всех видов композиционных материалов: стоимость стеклопластика уже минимальна, но возможно ее двукратное снижение. Карбон в ближайшие 10 лет ждет троекратное падение цены. Это расширит рынок: машиностроение, судостроение, где сегодня композиционные материалы остановились на применении 60-метровых судов.

Генеральный директор ЗАО «Байер» в России Вера Нехода-Хан также считает, что композитные материалы как материалы с новыми свойствами смогут найти ответы на современные вызовы. В качестве наглядного примера она привела ту же аэрокосмическую отрасль. «Пять-шесть лет назад появилась мысль создать самолет, который будет летать исключительно за счет солнечной энергии. Мы спонсировали этот проект (Самолет с названием «Солнечный импульс» (Solar Impulse) был представлен публике 26 июня 2009 г., 3 декабря того же года совершил первый полет, в июле 2010 г. — первый 26-часовой полет. Высокотехнологичные полимерные материалы были предоставлены компанией «Байер» — Bayer MaterialScience. Прим. ред.), — говорит госпожа Нехода-Хан. — В этом проекте главное не материалы, сколько поиск принципиально нового решения». 

Мнение сторонников композитных материалов «разбавил» Юрий Коропачинский, председатель Совета директоров SM.holding. По его мнению человечество будет использовать самые распространенные материалы: оксид кремния (это стекло), алюминий и углерод. 

«В мире производится 15 млрд тонн материалов, из которых 10 — строительная керамика (это кирпич), 2,7 млрд тонн — цемент, 1,7 млрд тонн — это сталь. Все полимеры — 0,3 млрд тонн, из них полиэтилена — 50 млн тонн, стеклопастика — 6 млн тонн. Таким образом, базовые материалы — это то, что производится в количестве более 1 млн тонн в год, — говорит Юрий Коропачинский. — По прогнозам по производству материалов  минимальный прирост в следующие 15 лет составит как минимум 2 млрд тонн». 

По данным Коропачинского человечество сегодня «перелапачивает» 30 млрд тонн материалов. Именно такой объем вынимается из биосферы Земли. Из них 8 млрд тонн — углерод, который впоследствии выбрасывается в атмосферу. То есть мы берем 8 млрд тонн из недр — уголь, газ, нефть, — сжигаем и выбрасываем в атмосферу, потому что материалов из углерода производится всего 300 млн тонн. Это примерно 0,3 %.

Решить данную проблему, по мнению Юрия Коропачинского, в ближайшие десятки лет можно только одним способом — применением аддитивов. При этом он поддержал академика Алексея Хохлова, утверждающего, что мало чего появилось нового: полиэтилен был изобретен в 1937 г., тефлон — в 1938 г. Но в 1991 г. были открыты нанотрубки — их прочность в 100 раз выше стали, электропроводность — выше, чем у меди. Последнее решает проблему электропроводности при использовании композитов в авиапромышленности, указанную господином Ботти. 

«Так, перкалиционный эффект при добавлении нанотрубок наступает при 0,1 массовой доле. Наши реальные работы показывают, что нужно меньше 1 %, и деталь окраситься электростатически, — говорит Юрий Коропачинский. — Поэтому углеродные наноматериалы — это углеродные нанотрубки, графен и др. — возьмут вверх над остальными материалами». Главная причина — в фантастическом комплексе свойств. В настоящее время нет ни одного материала, который обладал бы такими свойствами даже в отдельности, тем более в комплексе: высокой прочностью и электропроводностью, низким весом, термической стойкостью и др. 

Второй фактор — это универсальность аддитива. Нет никакого другого материала, добавление которого в самые различные матрицы позволяло бы получать колоссальный рост свойств. Нанотрубки можно добавлять в полимеры, алюминий, цемент. 

Третья причина — инфраструктура. Человечество уже построило инфраструктуру по добыче 8 млрд тонн углерода. И ее не нужно перестраивать. 

Четвертый фактор — это каталитический процесс. Физика и природа устроены так, что для производства наночастицы нужно много энергии. Поэтому добавление наночастиц — это дорого. Но есть другой процесс: берется наночастица и на ней каталитически выращивается нанотрубка, которая в сотни тысяч раз больше исходной наночастицы. Таким образом, происходит катализ — низкоэнергетический процесс. Это значит, что можно производить миллионы тонн нанотрубок по низкой цене. 

И последнее: если использовать углерод, будет меньше эмиссии СО2, потому что любой углеводород распадается на водород и углерод: водород — топливо, СО2 — материалы. Кстати, Менделееву принадлежат слова - топить нефтью, все равно что топить ассигнациями». Как все изменится, и заменят ли нанотрубки композиты? Отвечая на этот вопрос, Коропачинский отметил, что существует три основных класса композитов. В области транспорта, где очень важен вес, созданы композиты на основе полимерных матриц. При этом не обязательно производить вытеснение волокон нанотрубками, скорее, можно использовать сложные композиты, содержащие и нанотрубки, и волокна, и связующие элементы. Что касается конструкционных материалов, здесь намечается конец железной эры, начавшейся 5000 лет назад. Сталь постепенно отойдет на задний план, ее сменит алюминий — это более распространенный материал на земле. Из алюминия будут делаться сложные композиты. 

В части строительства, которое сегодня потребляет большую часть материалов, матрицей будет стекло. Поводом для таких прогнозов служат самые распространенные материалы на земле: алюминий, кремний, углерод и кислород. 

 

---

Меламед Л.Б., генеральный директор ХК «Композит»: 

Металл как конструкционный материал с первого места переместится на второе, отдав главенствующую роль композиционным материалам. 

---

Хохлов А.Р., проректор Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, академик РАН:

В середине XX века стало понятно, что начался век полимеров. Но тогда о их молекулярной структуре еще ничего не было известно. Сейчас мы знаем о всех возможных молекулярных структурах. На горизонте, откровенно говоря, не просматривается ничего, что могло бы заменить базовые материалы. Они и потому базовые, что дешевые. Композиты – это, конечно, одно из прорывных направлений современной промышленности, но они очень дорогие и должны заменять небольшие ниши, в которых базовые материалы не работают.

Учитывая это, можно предположить две тенденции. 

Первая — в полимерах гораздо большее развитие получает малотоннажная химия, когда высокотехнологичные материалы создаются для ограниченных применений, и по стоимости эта индустрия намного превышает стоимость полиэтилена. 

Вторая — произошло возрождение интереса к металлам после получения возможности контролировать наноструктуры. Руслан Валиев — наиболее цитируемый в настоящее время ученый, работающий в России в этой области — предложил новую технологию получения наноструктурированных металлов и сплавов методом интенсивной пластической деформации. Это очень важная технология. 

Что касается общего развития области материалов, стоит отметить тенденцию к получению биомиметических материалов. Из всех материалов самые совершенные — это живые системы. И любая самая элементарная клетка сложнее совершенного устройства, созданного человеком. Существует соответствующее направление, когда, подсматривая строение живых систем, человек пытается реализовать эти подходы для систем, материалов. Я думаю, именно в этом направлении будет идти развитии, а не в замене базовых материалов. 

---

Жан Ботти, технический директор EADS:

Пока не решена одна из главных проблем применения композитных материалов, проблема из области безопасности

Первым самолетом, где были применены композитные материалы, был Airbus 380 (EADS является единственным акционером компании Airbus S.A.S.). Доля композитных материалов в нем достигала 30 %. В следующем году намечен выпуск нового самолета, в котором будет применено уже 52 % композитных материалов. Но, веря в композитные материалы, делая на них ставку, мы пока не решили одну из главных проблем, общую для всей отрасли — электропроводимость композитных материалов. Подчеркну, это проблема безопасности, и все преимущества композитов ей перечеркиваются вследствие невозможности обеспечить заземление в случае молнии. Среди решений — использование медной сетки на фюзеляже. Большой потенциал видится как раз в применении углеродных нанотрубок.

Переход на композитные материалы ограничен также с экологической точки зрения: данные материалы слабо задействованы в рециклинге в силу сложности их переработки и невозможности повторного использования. При наличии эффективных технологий обработка композитов, производственный процесс гораздо дороже по сравнению со сплавами. То есть пока нет уверенности в выгоде композитов при наличии новых сплавов.