Россия не знает, куда пристроить новые материалы
В чем причина того, что массовое применение в нашей стране полимерных композитов с уникальными характеристиками откладывается на десятилетия
В ближайшее десятилетие ожидается бурное развитие мирового рынка углеродных волокон (УВ). Его рост прогнозируется на уровне 11% в год, в результате чего объемы 2019 года (в физическом выражении — 100 тыс.тонн УВ, в денежном — 3 млрд долларов) должны практически утроиться. И это только инерционный сценарий, с учетом консерватизма основных промышленных отраслей, до сих пор использующих преимущественно металлы и сплавы.
Но более вероятен другой сценарий, когда рынок углеволокна начнет ежегодно прибавлять с 2025 года 20%. Дело в том, что к этому сроку прогнозируется серьезное снижение стоимости УВ — в два раза от нынешней цены (во всяком случае, над этим сегодня работают практически все мировые производители новых материалов). При таком результате потенциальные потребители уверенно говорят об увеличении спроса на углеродные волокна.
Россия стремится встроиться в этот высокотехнологичный тренд. В 2018 году в нашей стране было произведено 800 тонн УВ, правительством поставлена цель производить к 2025 году 6 тыс. тонн. Сегодня доля России на мировом рынке углепластиков составляет менее 1%, ставится задача нарастить эту долю до 3 — 5% и войти в пятерку ведущих стран-производителей. Такие данные привел генеральный директор UMATEX (крупнейший производитель углеволокна в России, входящий в дивизион «Перспективные материалы и технологии» Госкорпорации «Росатом») Александр Тюнин на состоявшемся в июле в рамках международного марафона Иннопром-2020 онлайн-мероприятии, посвященном производству и применению новых материалов.
Новинке полтора века
Углеродное волокно представляет собой материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 10 мкм, образованных преимущественно атомами углерода (отсюда и название материала). Углеволокно впервые получил американский изобретатель Томас Эдисон, запатентовав его еще в 1880 году. Второе рождение УВ получило значительно позже — во второй половине XX века, когда из этого материала стали изготавливать компоненты ракетных двигателей. Затем углеволокно начали использовать в самолето- и кораблестроении, в автопроме, энергогенерации и многих других отраслях, вплоть до производства спортивного инвентаря.
УВ используют в качестве наполнителя в различных видах углепластиков.
— Ключевые характеристики углепластиков — легкость (до пяти раз легче стали), высокае прочность (до 7 ГПа) и высокая устойчивость к различного рода агрессивным средам и к коррозиям. Применение данных материалов значительно повышает эксплуатационные характеристики различных изделий, которые могут служить от 50 до 100 лет, — отметил Александр Тюнин. — Конечно, нет никакой речи о тотальной замене традиционных материалов на углепластики. Речь идет скорее о комбинированном использовании современных композиционных материалов с различными металлами и сплавами. Но доля композитов будет постоянно расти.
Уже сегодня композиционные материалы играют очень важную роль в мировом авиастроении, судостроении, космической отрасли, ядерной энергетике, ветроэнергетике, в строительстве, производстве военной техники. Если 40 лет назад в авиалайнерах элементы из композитов составляли всего 1%, то сегодня доля новых материалов в передовых самолетах Airbus, Boeing доходит до 50%. Это дало значительное уменьшение массы самолета (до 20%), экономию топлива и сокращение выбросов в атмосферу, экономию на сборочных процессах (за счет оптимизации числа конструкционных элементов), снижение стоимости обслуживания воздушного судна на всем жизненном цикле.
В силу уникальности характеристик углепластики превосходят все основные используемые металлы, высокопрочную сталь и даже современные легкие полимерные композиты, такие как стекловолокно и базальт — по плотности, прочности, модулю упругости. Есть у углепластиков и важная экологическая миссия: процесс получения этого материала практически безотходный, в то время как в металлургии остро стоит вопрос образования отходов производства.
МС-21 — слишком мелкий потребитель
Почему же в России углепластики до сих пор не нашли широкого применения? Главной причиной эксперты называют неконкурентную стоимость новых материалов.
— Есть подводные камни. Сегодня композиты значительно дороже основных металлов и их соединений. Так, если стоимость килограмма алюминиевой плиты на мировом рынке составляет 8 — 12 долларов, то стоимость УВ — в пять-шесть раз выше. И это не считая того, что из углеволокна нужно затем сделать конструкционный материал, который будет еще дороже, — считает генеральный директор компании «АэроКомпозит» (производит композиционные конструкции для авиастроения, акционеры — Научно-производственная корпорация «Иркут» и Авиационная холдинговая компания «Сухой») Анатолий Гайданский.
Но, во-первых, стоимость углепластика из года в год снижается — за счет совершенствования технологий производства УВ и эффекта масштаба. Серьезный потенциал в снижении стоимости может обеспечить развитие рециклинга — вторичной переработки использованных углепластиковых изделий.
Во-вторых, за рубежом есть примеры широкого использования новых материалов в отдельных промышленных отраслях, являющихся для России базовыми. Например, 5 тыс. км трубопроводов нефтяной компании Saudi Aramco построены из композитных труб, что составляет 20% всей длины. В российской нефтяной отрасли доля пластиковых композитных труб не превышает 1%.
Другой пример — строительная индустрия. В ряде стран (в частности, в США), где техническое регулирование оперативно подстраивается под инновации, при строительстве различных объектов активно применяются углепластики и углеволокно.
— Если посмотреть на тот узкий сегмент в строительной индустрии, который представляют композиты и армирующие материалы, используемые в строительстве различных объектов, то можно увидеть там своего рода революцию. Все, что имеет отношение к фундаменту, на сегодняшний день гораздо эффективнее, в том числе с точки зрения стоимости, строить с применением композитного армирования, — утверждает генеральный директор компании «Гален» (производитель современных композитных материалов для промышленно-гражданского строительства, электроэнергетики и дорожной инфраструктуры) Валерий Гуринович.
Даже ведущие мировые металлургические компании — гипотетические конкуренты производителей композиционных материалов — сегодня обзавелись собственными подразделениями, выпускающими композиты. По этому пути пошла и Северсталь: ее корпоративный венчурный фонд Severstal Ventures инвестировал несколько десятков миллионов долларов в компанию, разрабатывающую цифровые роботизированные платформы для производства композитных деталей и изделий с интегрированными композитами. Жаль только, что это не российская, а голландская компания — Airborne.
— Конечно, в ближайшей перспективе композиты не смогут составить серьезную конкуренцию стали и даже цветным металлам в основных сегментах потребления. Самая прочная и навороченная сталь стоит максимум полтора доллара за килограмм, в сегменте массового строительства — полдоллара за килограмм. А композитная арматура стоит за погонный метр в полтора-два раза дороже стальной, при этом у нее проблемы с пожаробезопасностью. Но почему мы верим в большие перспективы композитов? Металлургия — технологически зрелая отрасль, мы давно не видели серьезных инноваций в стали, годов с 70-х. В отношении композиционных материалов, напротив, мы видим потенциал в части улучшения характеристик и снижения себестоимости. Цены на углепластик могут снизиться с 200 — 300 долларов до 50 долларов за килограмм в достаточно понятной краткосрочной перспективе, — объяснил интерес к новым материалам директор по развитию бизнеса и корпоративным венчурным проектам Северстали Андрей Лаптев.
В России уже реализуется несколько производственных проектов, нацеленных на промышленное использование углепластика. Та же компания «АэроКомпозит» построила в Ульяновске завод по производству силовых элементов конструкций и агрегатов для авиации из композиционных материалов, создаваемых при помощи метода вакуумной инфузии. В Казани этой компании принадлежит завод «КАПО-Композит», специализирующийся на производстве композитных элементов конструкций самолета методом автоклавного формования. В настоящее время на обоих предприятиях ведутся работы по программе МС-21.
Кроме того, в Ульяновске работает совместное предприятие датской компании Vestas и Роснано, где производятся композитные лопасти для турбин ветрогенераторов с использованием стекловолокна и пултрузионного профиля из углепластика.
Но это единичные примеры в нашей стране. Они связаны с формированием пока еще очень узких сегментов инновационной индустрии, а потому не могут тиражироваться. Широкое использование углеволокна и углепластиков возможно только с подключением основных традиционных отраслей в качестве потенциальных потребителей новых материалов (таких как машиностроение, строительство, нефтегазовый комплекс). Для этого необходимы не только более чуткие к инновациям нормы и техрегламенты. Нужны квалифицированные специалисты — проектировщики, инженеры, технологи, умеющие работать с новыми материалами, проектировать и конструировать изделия из композитов. К сожалению, сегодня на отечественных предприятиях не хватает соответствующих компетенций. Поэтому важно создать единую общероссийскую базу данных по композиционным материалам с информацией об их свойствах и возможностях применения в различных изделиях.
