Материальное будущее: в РФ создают уникальные сталь, композиты и полимеры
Разработки Курчатовского института — это не только технические решения, но и материалы, необходимые для их воплощения. Здесь создают сталь для флота и авиации, композиты для микроэлектроники, биосовместимые полимеры для медицины и многое другое. «Известия» рассказывают о некоторых проектах ведущего материаловедческого центра страны.
Защита для ледокола
Особые сталь и технологии для морской техники, работающей в арктических условиях. Новый сплав для проектируемого реактора на быстрых нейтронах БР-1200. Композиты для отечественных систем радиосвязи и радионавигации на высоких частотах. Всё это разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей».
Стратегический принцип работы института — обеспечение полной цепочки: создание новых материалов, разработка технологии их промышленного производства, авторский надзор за ее соблюдением, сопровождение изделий в ходе эксплуатации.
Среди приоритетов работы института — обеспечение северного судоходства. Например, при эксплуатации ледоколов возникает существенная проблема — износ корпуса в носовой части, на которую непрерывно воздействует лед. Чтобы обеспечить сохранность покрытий, предотвращающих прямой контакт металла с морской водой, судно нужно ежегодно ставить на 1–2 месяца в сухой док. Альтернатива — использование новой азотсодержащей стали в сочетании с системой электрохимической катодной защиты. Это и другие решения были разработаны в «Прометее» и успешно применяются в том числе на самом мощном в мире атомном ледоколе «50 лет Победы», где была использована плакированная сталь.
Еще пример: «Хаска-10», крупнейшее в мире скоростное грузовое судно на воздушной подушке. При его создании использовались разработки «Прометея» в области высокопрочных алюминиевых сплавов.
Еще одно важнейшее направление — металлы для реакторных установок. Например, кремнистая хромоникелиевая сталь, которая должна стать основным конструкционным материалом для проектируемого реактора на быстрых нейтронах БР-1200 (он рассматривается как один из основных элементов технологии замкнутого топливного цикла). А из созданного в институте сплава ЧС57 изготовлен корпус высокотемпературного газоохлаждаемого реактора космического назначения.
Но НИЦ «Курчатовский институт» – «Прометей» — это не только металлы. Сегодня он возглавляет работы по созданию высокопрочных стеклопластиков и других композитных материалов для судостроения. В том числе и для изготовления крупногабаритных конструкций (например, обшивки корпуса современного тральщика длиной 70 м). К композитным системам относятся и разработанные в «Прометее» лакокрасочные покрытия для защиты морской техники от коррозии и обрастания различными микроорганизмами.
Когда вырастают крылья
Высокие технологии в авиации: разработка и производство полимерных композиционных материалов, легких и жаропрочных сплавов нового поколения, полный цикл аддитивного производства, разработка и внедрение уникальных методик неразрушающего контроля, в том числе с применением синхротронного и нейтронного излучения — всем этим занимаются в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ (Всероссийский институт авиационных материалов).
Специалисты института еще с 1930-х начали изучать и создавать материалы для авиации. За эти годы накоплен огромный опыт.
Из последних разработок — новое поколение сплавов для наиболее нагруженных деталей газотурбинных двигателей: лопаток турбин, дисков, валов, деталей камеры сгорания. Угле- , стекло- и органопластики, разработанные в институте, применяются при изготовлении деталей планера, элементов механизации и хвостового оперения самолетов, деталей мотогондолы двигателей, лопастей несущих и рулевых винтов вертолетов.
Уникальные возможности Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований (в частности, исследования на нейтронном источнике ИР-8) позволяют выявлять дефекты, которые не обнаруживаются традиционными методами неразрушающего контроля.
В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ впервые в России создан замкнутый цикл аддитивного производства, включающий в себя получение металлопорошковых композиций, деталей из металлических и неметаллических материалов. При этом скорость создания изделий сокращается в разы, а коэффициент использования материала достигает 98%.
Разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ востребованы не только в авиации, но и в энергетике, строительстве, ракетно-космической технике, атомном машиностроении, медицине и других сферах.
Живая ткань
Ученые Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий разрабатывают для медицины новые полимерные материалы, основанные на природных белках и полисахаридах, например коллагене или хитозане. Основное преимущество этих материалов — биосовместимость (то есть они хорошо взаимодействуют с тканями человека).
Пример разработки — уникальный бинт, особенно эффективный в случае обширных ожогов. Его получают методом электроформования: на полимерный раствор воздействуют высоким напряжением, в результате растворитель испаряется, а сухие волокна осаждаются на электрод. Так образуется нетканый волокнистый материал. Он не мокнет, не прирастает к ране, а кроме того, в его состав можно прямо на стадии изготовления добавить лекарственный препарат, обеспечив нужный врачебный эффект.
Аналогичным образом на основе полимерного каркаса можно создавать искусственные участки ткани из собственных стволовых клеток пациента. В перспективе с помощью разработанной технологии 3D-биопринтинга можно будет печатать «заплатки» на те или иные ткани, например на сердечную. Таким образом можно получить имплант улучшенной приживаемости, который сначала выполняет свою функцию, потом начинает прорастать собственными клетками организма и становится его частью. В будущем ученые рассчитывают научиться прямо в лаборатории выращивать целые органы или их части, идентичные природным.
Или еще одна разработка для медицины — так называемая искусственная паутина. Интерес к паутине у ученых возник давно. Этот материал уникален по сочетанию прочности и легкости, а еще полностью биосовместим с человеческим организмом и обладает регенеративными свойствами, то есть способствует восстановлению тканей. В Курчатовского института смогли создать аналог паутины с помощью дрожжевых грибов. Им пересаживают синтезированные и особым образом отредактированные гены, отвечающие за выработку белков, подобных тем, что пауки используют для «строительства». А позднее специалисты НМИЦ трансплантологии и искусственных органов усовершенствовали разработку: смешали искусственную паутину с шелком тутового шелкопряда. Полученный материал оказался значительно проще и дешевле в производстве и при этом сохраняет регенеративные свойства.
