Химия в авиационном материаловедении

ВИАМ/2009-205400
Химия в авиационном материаловедении
Е.Н. Каблов
академик РАН
Август 2009
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем в 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной
техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках Международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат Государственных премий
СССР и РФ, академик РАН Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Российский
химический журнал», т. LIV, № 1, 2010 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Химия в авиационном материаловедении
Е.Н. Каблов
Всероссийский институт авиационных материалов
Всероссийский
научно-исследовательский
институт
авиационных
материалов ГНЦ РФ (ВИАМ), ведущий материаловедческий институт
авиационной отрасли и крупнейший научный центр России, занимается
разработкой неметаллических материалов на основе самых разнообразных
классов, типов и видов химических продуктов. За годы исследований для
авиации и космической техники создано более 2000 марок материалов,
которые
составляют
материальную
базу
отечественных
летательных
аппаратов и двигателей. Роль химической промышленности в развитии
авиационных материалов чрезвычайно важна. Создание многих современных
материалов для авиации и ракетной техники базируется на крупных
химических
открытиях.
Одновременно
развитие
самой
химической
промышленности стимулировалось потребностью в новых видах техники и
вооружения. Совершенствование и интеллектуализация авиационных и
ракетных
изделий
потребовали
развития
таких
отраслей,
как
микроэлектроника, лазерная техника, средства связи. Это, в свою очередь,
выдвинуло в число приоритетных задач развитие химии и нового
перспективного направления – материаловедения.
По инициативе директора ВИАМ А.Т. Туманова и под руководством
заместителя председателя ВПК Д.П. Новикова с участием академиков
В.А. Каргина и К.А. Андрианова в Кремле прошло совещание, где была
утверждена концепция создания соответствующей отрасли промышленности.
Решение ВПК в декабре 1968 г. и постановление Совета Министров СССР в
июне 1970 г. обеспечили организационно-экономическую базу решения
проблемы, получившей статус государственной. Головным институтом по
проблеме был определен ВИАМ, научным руководителем – А.Т. Туманов. В
выполнении работ приняли участие более 50 организаций и предприятий
различных отраслей промышленности. Так появилось новое научное
направление – разработка полимерных композиционных материалов на
различной основе и разного назначения. Развитие этого направления
стимулировало
создание
новых
полимерных
матриц
–
эпоксидных,
фенольных, элементоорганических, полиимидных, полиэфирных и многих
других, а также армирующих материалов. В целях обеспечения новыми
видами наполнителей на Дзержинском опытном заводе (Горьковская обл.)
было создано производство борных волокон, на Московском и Челябинском
электродных
заводах
и
Балаковском
производственном объединении
«Химволокно» – производство углеродных волокон, на Редкинском опытном
заводе – производство нитевидных кристаллов тугоплавких соединений SiC,
Аl 2 O 3 и других.
Достигнутые успехи были обусловлены проводимой государством
промышленной политикой и реализацией масштабных проектов, где
немаловажную
роль
играли
генеральные
конструкторы
и
научные
руководители. Один из ярких примеров значения химии и химической
индустрии для создания сложной авиационно-космической техники –
многоразовый орбитальный корабль «Буран», который на 90% состоит из
композиционных материалов. Постановка конструкторскими бюро этой
сложной задачи потребовало от институтов АН СССР, отраслевых
институтов (ФГУП «ВИАМ», ФГУП ГНИИХТЭОС и др.) разработки
специальных программ исследований и создания целой гаммы новых видов
высокопрочных, высокомодульных и термостойких волокон, связующих и
функциональных материалов. Сложной оказалась задача разработки составов
для надежного крепления кварцевых теплозащитных плиток на корпус
ракеты-носителя и орбитального корабля. В результате работы над проектом
совместный труд ученых, конструкторов, инженеров позволил создать
непревзойденные до настоящего времени материалы.
На протяжении многих лет в СССР исследования в области химии по
специальной тематике возглавляли крупнейшие ученые нашей страны –
академики К.А. Андрианов, Г.К. Боресков, Н.С. Ениколопов, В.А. Кабанов,
В.А. Каргин, Н.А. Платэ, Н.Н. Семенов и многие другие. Среди
руководителей
химического
комплекса
существенный
вклад
в
его
становление и развитие внесли Л.A. Костандов, С.В. Голубков и
Ю.А. Поливанов.
В годы экономического кризиса резко сократился внутренний рынок
химических продуктов. В секторах высокотехнологичных химических
материалов (сырье для производства углеродных волокнистых наполнителей,
синтетические
олигомеры
и
полимеры,
конструкционные
полимеры)
отечественные производители оказались крайне уязвимы в конкурентной
борьбе
с
зарубежными
производителями.
Активизация
иностранных
компаний на российском рынке привела к тому, что в таких сегментах, как,
например, производство синтетических волокон, красок и лаков, выпуск либо
сокращался, либо рос незначительно. В течение последних 10 лет оборонная
промышленность не обеспечивала необходимого спроса на ряд продуктов
малотоннажной химии.
В настоящее время в России прекращено производство некоторых видов
полимерных
материалов
(полиимиды,
поликарбонаты),
каучуков
специального назначения, клеев, герметиков и т.д. Под угрозой закрытия
находится
изготовления
производство
углеродных
конструкционных
волокон,
теплостойких
необходимых
и
для
эрозионностойких
композиционных материалов, используемых в современной авиационной и
ракетно-космической технике, атомной промышленности. В критическом
положении находятся более половины малотоннажных производств, в том
числе
специальных
волокон;
теплостойких
органических
стекол;
термостойких кремнийорганических и элементоорганических олигомеров;
наполнителей, пигментов; специальных химических добавок и т.д. Однако
обеспечение оборонной безопасности и экономической независимости
страны без развития производства отечественной химической продукции
невозможно, т.к. альтернативы ее замены во многих изделиях военного
назначения не существует.
В последнее время в машиностроении (авиа-, судо-, станкостроении и др.)
растет спрос на детали из конструкционных полимерных материалов,
специальные лакокрасочные покрытия, изолирующие, шумопоглощающие
материалы и многие другие, которые значительно облегчают технологию
производства
в данных отраслях, повышают качество
выпускаемой
продукции и во многих случаях являются незаменимыми.
Для
комплексного
решения
вопросов
обеспечения
материалами
производства существующих образцов авиационной техники и вооружения, а
также создания новых материалов для перспективной техники по поручению
Президента и Правительства был разработан проект Федеральной целевой
программы «Разработка, восстановление и организация производства
стратегических,
дефицитных
и
импортозамещающих
материалов
и
малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на
2009–2011 гг. и на период до 2015 г.». Данная программа направлена на
восстановление производства утраченных уникальных по своим свойствам
продуктов
и
инновационных
материалов,
проектов,
разработку
и
реализацию
технологических
процессов
«прорывных»
по
выпуску
конкурентоспособной продукции на базе экономически эффективных,
экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий.
На протяжении всего периода работы ВИАМ его научная деятельность
протекает в тесном сотрудничестве с институтами РАН, вузами, ведущими
отраслевыми институтами и предприятиями химической отрасли.
В
организованной
академиком
К.А.
Андриановым
лаборатории
полимерных связующих проводятся исследования по синтезу и направленной
химической модификации полимерных продуктов для функциональных
материалов, стеклопластиков, углепластиков, органопластиков, в том числе
самоадаптирующихся
(интеллектуальных)
композитов,
способных
к
направленному улучшению своих параметров в экстремальной ситуации.
Направленные исследования по созданию наноструктурных материалов
привели к разработке углепластиков с повышенными механическими
характеристиками
на
10–15%,
теплостойкости
на
15–30%,
термоокислительной стойкости на 20–50°С, трещиностойкости, усталостной
и длительной прочности, водо-, масло-, топливо- и грибостойкости.
Разработан
первый
наноструктурный
композит,
который
может
использоваться в качестве молниезащитного покрытия конструкции из
углепластика, выдерживающего практически без повреждений воздействие
токов, возникающих при попадании в самолет молниевого разряда. Как
показали исследования, наиболее перспективной технологией получения
наноструктурных
полимерных
композиционных
материалов
является
введение наночастиц с привитыми функциональными группами, их
распределение в объеме связующего и фиксация за счет химических реакций
между
функциональными
группами
связующего
и
привитыми
к
наночастицам, что является наноструктурным дизайном.
Наряду с полимерными конструкционными материалами в институте
ведется работа по созданию широкой гаммы функциональных материалов,
без которых невозможна разработка перспективных образцов авиационной и
ракетно-космической техники. К ним относятся лакокрасочные, клеевые,
герметизирующие,
теплозащитные,
жаростойкие
и
специальные
керамические материалы.
На протяжении многих лет ВИАМ является связующим звеном между
ведущими конструкторскими бюро, которые ставят задачи по разработке
новых материалов для образцов авиационной и специальной техники, и
институтами РАН, вузами, отраслевыми институтами и предприятиями по
выпуску готовых изделий. ВИАМ, как ведущее предприятие отрасли,
определяет уровень научно-технического задела и основные направления
развития современного материаловедения.
Сегодня мир стоит на пороге шестого технологического уклада, который
характеризуется развитием и применением нанотехнологий, микромеханики,
фотоники, квантовых технологий, термоядерной энергетики. Достижения в
этих областях науки должны привести к созданию искусственного
интеллекта, квантового компьютера, без которых невозможно выйти на
принципиально новый уровень в фундаментально-ориентированных и
прикладных
исследованиях.
В
этих
условиях
будущее
авиационно-
космической техники, повышение ее конкурентоспособности на мировом
рынке связано с разработкой перспективных материалов на основе
различных классов химических соединений, олигомеров, полимеров с
применением
наномодифицирования,
а
также
созданием
новых
высокотехнологичных и энергосберегающих технологий их получения с
использованием в разработках квантовых компьютеров. Успех создания
материалов будущего во многом зависит от проведения совместных с
институтами РАН, вузами и предприятиями отрасли работ в области синтеза
и получения как новых химических соединений, так и усовершенствовании
разработанной за многие годы во ФГУП «ВИАМ» широкой гаммы
материалов с уникальными свойствами.