Российские ученые создали полимеры для трехмерной печати сверхпрочных узлов роботов, беспилотников, экзоскелетов, протезов и даже космических скафандров. О том, как создавались новые виды пластика, способные в будущем заменить металл в самолето- и ракетостроении, рассказала в интервью РИА Новости руководитель лаборатории прогрессивных полимеров, созданной Фондом перспективных исследований и Минобрнауки в Кабардино-Балкарском государственном университете имени Х. М. Бербекова, доктор химических наук Светлана Хаширова.
- Расскажите, пожалуйста, о том, что такое суперконструкционные полимеры, в чем их уникальность?
- Все синтетические полимеры, которые сегодня производятся, делятся на реактопласты и термопласты. Основное отличие первых от вторых заключается в том, что из реактопластов можно получить изделие только один раз, термопласты же можно многократно перерабатывать. Так вот, если все известные сегодня термопласты расположить в виде пирамиды, то на ее верхушке будут так называемые суперконструкционные полимеры. Они обладают высокими эксплуатационными свойствами: выдерживают температуру до 500 градусов по Цельсию и выше, морозостойки, их можно применять в Арктике, устойчивы к радиации, можно использовать в космосе, а также обладают высокой прочностью. По многим характеристикам такие полимеры превосходят металлы, при этом их вес на 50-70% меньше.
- Когда лаборатория начала работу над проектом по созданию полимеров нового поколения и какие результаты достигнуты к настоящему времени?
- В 2014 году Фонд перспективных исследований поставил перед нами сложную задачу: нужно было создать полностью отечественные суперконструкционные полимеры для трехмерной печати и технологию их производства. Ввиду важности решаемой задачи к созданию лаборатории подключилось министерство образования и науки России, которое профинансировало приобретение необходимого современного оборудования для реализации проекта.
Нужно отметить, что суперконструкционные полимерные материалы, специально разработанные для 3D-печати, отличаются от материалов, созданных для традиционных способов переработки. И, к сожалению, сегодня в России практически нет соответствующего научно-технического задела в этой области.
Преимущество же нашего подхода состоит именно в том, что мы сразу разрабатывали полимеры с учетом технологических особенностей 3D-печати, а не адаптировали существующие материалы, что позволило добиться характеристик напечатанных образцов на уровне литьевых. При этом созданные материалы могут прекрасно применяться и в традиционных технологиях переработки. Кстати, полимерные материалы, ориентированные на традиционные способы производства, такие как литье, далеко не всегда подойдут для 3D-печати.
Несмотря на всю сложность и объемность поставленной задачи, коллектив лаборатории с ней справился. Нам удалось очень глубоко погрузиться в вопросы полимерного материаловедения именно для 3D-печати, причем в такой сложной области, как высокопрочные высокотемпературные полимеры, и сегодня можно с уверенностью говорить о том, что удалось совершить прорыв и разработать собственный высокотехнологичный процесс получения новых полимеров, которые по большинству своих характеристик превосходят зарубежные аналоги.
Разработанная технология обладает рядом ключевых достоинств: сокращение стадий производства, высокий выход годного продукта, исключительно высокая чистота полимера и малооперационность. Это позволит значительно снизить затраты на производство, сделав новые материалы доступными для широкого внедрения.
- В каких областях могут применяться материалы, созданные в возглавляемой вами лаборатории?
- Важно отметить, что созданные материалы можно использовать как для изготовления деталей литьем, так и для 3D-печати. Это значительно расширяет область их применения.
Печать деталей из суперконструкционных полимеров, в первую очередь, незаменима там, где требуется облегчить конструкцию, снизить общее количество узлов и соединений за счет более сложных форм, которые традиционными способами изготовить или невозможно, или очень трудоемко.
Такие материалы химически, тепло- огне- и морозостойкие. Могут эксплуатироваться в экстремальных условиях, например, сохранять прочностные характеристики при очень низких температурах, что делает возможным их использование при создании техники для работы в условиях Арктики. Они могут применяться и в условиях высоких температур и радиационного воздействия. Поэтому сфера применения новых материалов достаточно широка - это авиационная и космическая промышленность, машиностроение, нефтегазовая отрасль и многое другое.
Высокая гидролитическая устойчивость и биологическая инертность делают возможным их применение в медицине. С использованием 3D-печати из наших материалов можно изготовить протезы, созданные с учетом особенностей конкретного человека. Их также можно применять для 3D-печати беспилотных летательных аппаратов, экзоскелетов, узлов машин и механизмов, сложных деталей робототехнических устройств или элементов космического скафандра.
Доля применения конструкционных полимеров в этих отраслях в России сейчас гораздо ниже, чем у зарубежных производителей аналогичной продукции. Мировой опыт замены металлов показывает необходимость применения суперконструкционных полимеров для увеличения эффективности производства, повышения качества изделий и сокращения затрат. И уже сейчас есть заинтересованность со стороны ряда российских компаний во внедрении разработанных материалов и технологий.
- В рамках проекта разрабатывается не только технология получения суперконструкционных полимеров, но и создается оборудование для 3D-печати. Почему не устраивает существующее оборудование, ведь предложений по продаже 3D-принтеров различного назначения можно встретить достаточно много?
- В связи с тем, что разработанные полимеры являются высокотермостойкими, для работы с ними необходимо профессиональное оборудование, которое могло бы обеспечить требуемые тепловые режимы, необходимую точность нанесения полимерного порошка и много других параметров. К сожалению, российские 3D-принтеры подобного уровня отсутствуют, а все принтеры зарубежного производства ориентированы на использование собственных материалов и ограничивают пользователя в изменении параметров и возможности экспериментировать с технологическими режимами 3D-печати.
В связи с этим в рамках проекта мы совместно с соисполнителями разрабатываем первый российский 3D-принтер для послойного лазерного сплавления суперконструкционных полимеров, позволяющий значительно расширить возможности управления процессом 3D-печати и печатать изделия из порошков суперконструкционных полимеров и материалов на их основе. Отмечу, что наша лаборатория разработала не только сами полимеры, но и композиционные материалы на базе этих полимеров.
Печать композитами - это отдельная сложная тема: нужно подбирать специальные наполнители, управлять скоростью кристаллизации полимеров, от которой сильно зависит поведение материала во время печати и формирования изделия, регулировать текучесть, чтобы снизить пористость изделия и так далее. Однако результат стоит затраченных усилий, так как за счет применения композиционных материалов можно значительно повысить характеристики готовых изделий.
- Как формировался коллектив вашей лаборатории, какие специалисты вошли в команду?
- С 60-х годов прошлого века у нас функционирует одна из сильнейших отечественных школ материаловедения - полимерная школа профессора Абдулаха Касбулатовича Микитаева, который, к огромному сожалению, на прошлой неделе ушел из жизни. Все сотрудники нашей лаборатории являются выпускниками химического факультета Кабардино-Балкарского государственного университета имени Х. М. Бербекова, большинство из них имеют ученую степень - при том, что средний возраст сотрудников лаборатории составляет 28 лет.
- Расскажите, пожалуйста, о самых интересных вызовах в работе над проектом.
- Суперконструкционные полимеры во всем мире производятся в малых количествах. Во многом это связано с их высокой стоимостью, обусловленной сложной технологией получения. Рецептуры и технологии производства подобных полимеров везде являются предметом коммерческой тайны.
Перед нами стояла задача не только разработать собственный высокотехнологичный процесс получения новых суперконструкционных полимеров для 3D-печати, но и создать рецептуры материалов, обладающих одновременно высокой жесткостью и пластичностью. Зачастую повышение жесткости материала сопровождается снижением пластичности, и достичь сочетания в одном материале этих трудно совместимых свойств задача достаточно сложная. Однако поставленную задачу нужно было решать, и в итоге мы смогли получить материалы, которые одновременно обладают повышенной прочностью, жесткостью с сохранением пластичности.
Работа над проектом позволила нашему коллективу получить новые компетенции: решая крайне сложные задачи, мы постоянно раздвигали границы того, что казалось нам возможным, поэтому сейчас можем с уверенностью заявить, что готовы решать задачи любой сложности в области полимерного материаловедения.
