Композиты: из космоса — на стройку

Форум «Композиты без границ» показал не только плоды импортозамещения в авиапроме, но и рыночные перспективы в строительном бизнесе

В День космонавтики, 12 апреля этого года, госкорпорация «Ростех» сообщила, что ее обнинское предприятие «Технология» разработало композиционный материал нового поколения, который может применяться при производстве радиаторов космических аппаратов для межпланетных программ. Это далеко не первый пример появления в России лидерских технологий в области композитных материалов, изделия из которых в несколько раз легче и прочнее металлических.

Композитные материалы, созданные для авиации и космической промышленности в середине прошлого века, в 1980–1990-е годы стали активно применяться в автомобилестроении, а к 2000-м годам — в строительстве. Сейчас без композитов не обходятся и в быту: их используют в спорте, медицине, для изготовления мебели. Стереотип о том, что композиты — это что-то невероятно дорогое, постепенно уходит: есть дорогие материалы, а есть и массовые. Так, Нанотехнологический центр композитов (НТК) уже оборудовал 25 км дорог композитными водоотводными лотками. Словом, эра повсеместного применения дешевых композитов уже началась. И не только у нас: например, в Индии такие материалы планируют использовать для укрепления 100 тыс. старинных мостов.

Двуглавая отрасль

Композиты включают в себя несколько компонентов, в том числе волокно (или матрицу) и наполнитель. Это позволяет улучшить характеристики материала, делает его одновременно легким и крепким, устойчивым к коррозии и химическому воздействию, обладающим большей усталостной прочностью.

Простейшие композиционные материалы — это железобетон и клееная фанера, но сейчас, говоря о композитах, мы имеем в виду новые материалы с особыми свойствами: в качестве наполнителей там, как правило, выступают углеродные и стеклянные волокна, другие наноматериалы, а роль матрицы играют полимеры или металлы.

Старший научный сотрудник Института машиноведения РАН Ирина Гадолина, занимающаяся усталостью материалов, отмечает: если нужно проделать отверстие в металле, достаточно его просверлить. А вот современные композиты сверлить нельзя: повреждается структура волокна, поэтому для получения отверстий материал «наращивают»: он растет, словно дерево, обхватывающее собой забор или другую преграду.

Есть у композитов и другие ограничения. Трудно поверить, но столь прочный материал может оказаться хрупким: если при монтаже крыла самолета мастер уронит на него гаечный ключ, композит может расслоиться и даже треснуть. Вот почему во всех странах мира востребованы технологии не только производства, но и использования композитов, а также эксперты в данной сфере, в том числе российские: новые материалы требуют иных компетенций и иной инженерии.

Но овчинка стоит выделки: углепластик впятеро легче стали и в 1,8 раза легче алюминия. При этом композит из углеволокна в десятки раз прочнее стандартных сортов металла и более устойчив к коррозии. Конечно, стоимость композитных изделий значительно выше аналогов из алюминия и его сплавов, однако, когда речь идет об экономии массы изделия и значительном приросте прочности, конкурентов у углепластиков нет.

По данным NeoAnalytics, в 2021 году потребление композитных материалов в России на душу населения составило всего 0,5-1 кг — в 15 раз меньше, чем в развитых странах (см. схему 1). В нашей стране чаще применяются более традиционные строительные композиты на основе стекловолокна, их доля в структуре рынка превышает 90%, при этом две трети стекловолоконного сырья в 2019 году было импортным.

Но за последние пять лет российский рынок углеволокна увеличился более чем втрое, рассказывает генеральный директор композитного дивизиона «Росатома» «Юматекс» Александр Тюнин.

Этот дивизион, созданный в 2016 году, за несколько лет превратился в крупнейшего отечественного производителя композитов, а к 2029–2030 годам планирует стать одним из мировых лидеров в данной области. Композиты «Юматекс» сегодня применяются в ракетостроении (модели «Ангара» и «Союз-5»), в атомной отрасли — для производства газовых центрифуг и защиты атомных станций, для контейнмента в судостроении, в изготовлении баллонов высокого давления для газомоторного транспорта. А под брендом FibArm компания выпускает системы внешнего армирования композитными материалами на основе углеродного волокна для ремонта и усиления несущих конструкций зданий, полимерные модульные понтоны для строительства временных переправ, промышленные половые покрытия.

Российская композитная продукция активно экспортируется, прежде всего в страны СНГ. Так, Казахстан и Белоруссия вот уже более десяти лет являются постоянными потребителями материалов НЦК для композитного усиления железобетона. В Белоруссии системы внешнего армирования на основе углеволокна применяются для ремонта больших мостов и путепроводов, в Казахстане композитами добавляют прочности крупнейшим промышленным предприятиям и инфраструктурным объектам. Кроме того, с 2020 года НЦК поставляет в Казахстан и Белоруссию композитные защитные футляры для газовых труб, и в последние два года их экспорт значительно вырос.

На прошедшем в конце марта в Москве форуме «Композиты без границ» российские производители нашли контрагентов и за пределами СНГ. «На выставке мы подписали контракт на покупку оборудования и сразу получили заказ на производство 3300 тонн продукции — в какой еще стране мира это возможно?» — радуется директор направления композитного бизнеса Jindal Defense & Advance Materials (Индия) Сипи Агравал. Корпорация Jindal — один из крупнейших мировых производителей стали (17 предприятий в Индии и 14 за ее пределами, оборот группы — $35 млрд, 70% рынка Индии по производству арматуры), но в 2020 году они решили заняться строительными композитами. Jindal надеется привлечь специалистов и контрагентов в этой области, в том числе из России.

Неметаллические крылья

Собственно композитная отрасль в СССР началась с создания новых материалов для авиапромышленности по инициативе начальника Всероссийского НИИ авиационных материалов (ВИАМ) Алексея Туманова (1909-1976). Но позже лидерство было утеряно. Уже к середине 2010-х доля композитов в общей массе Boeing 787 Dreamliner составляла около половины (сейчас 53%). В российских самолетах и близко такого не было. Пришлось догонять. Испытываемый сейчас пассажирский лайнер МС-21 обладает композитными крыльями, изготовленными полностью из отечественных конструкций компании «Унихимтек» (об этом успехе в области импортозамещения неоднократно писал «Эксперт» — см., например, статью «Материал для победы» в №9 за 2021 год).

Как отметил, открывая Форум «Композиты без границ», гендиректор «Росатома» Алексей Лихачев, за 2022 год в сжатые сроки удалось импортозаместить вообще все элементы МС-21. Производство нового лайнера началось на Иркутском авиазаводе в марте 2020 года, и сейчас доля композитов в конструкции самолета приближается к 40%. Это еще не половина (основная доля материалов все же приходится на металлические сплавы — алюминий, титан), но прекрасный показатель для лайнеров данного класса.

«Прослеживается тренд на наращивание доли композитов в конструкции самолетов, сегодня она в среднем составляет порядка 30 процентов в весе лайнера. При сохранении тенденции в широкофюзеляжных самолетах к 2030 году этот показатель может достигнуть 60 процентов», — комментирует ситуацию представитель корпорации «Иркут», производящей МС-21, Андрей Чаплыгин.

Современные вертолеты пока состоят из композитных материалов на 15%, но и здесь их доля будет расти.

Ученые и конструкторы постоянно совершенствуют технологии. Так, корпорация Rolls-Royce в сотрудничестве с ведущими университетами и центрами компетенций Англии и материковой Европы сейчас проектирует композитную лопатку вентилятора авиадвигателя размером 1,5-2 метра. Для создания одной лопатки выкладывается до 500 слоев композитных материалов, зато ее внедрение помогло бы существенно снизить вес самолета: для дальнемагистрального судна такой выигрыш даст возможность взять на борт восемь дополнительных пассажиров. Разрабатываются самовосстанавливающиеся композитные материалы, устраняющие повреждения без участия человека.

В России композиты для авиапрома будут востребованы в той мере, в какой станет расти серийное производство новых отечественных лайнеров. По оценкам экспертов, корпорация «Иркут» сейчас выпускает всего пять-семь самолетов МС-21 в год (сама компания эти данные не раскрывает).

Медленный рост автокомпозитов

Сегодня практически все кузова концепткаров автогигантов более чем на 50% состоят из композитов на основе композитного волокна. Что касается серийных машин, то такие материалы составляют 5-16% их массы (см. схему 3): это кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот… BMW, Ford, Mercedes, Audi часто полностью делают из композитов кузов. Особенно актуально применение легких и прочных конструкций для изготовления гибридных и электромобилей, несущих тяжелую батарею, где от массы изделия напрямую зависят ресурс, пробег и динамические качества машины. За пальму первенства в области использования новейших материалов соревнуются Япония и США.

По мнению экспертов ВИАМ, небольшая доля полимеров в отечественных моделях отчасти объясняется низким технологическим уровнем развития индустрии пластиковых автокомпонентов, а также недостатком инвестиций в новые материалы для автопрома. Например, BMW вложила 533 млн долларов в освоение промышленного производства модели электромобиля i3, кузов которой выполнен из углепластика. Такой кузов на 50% легче стального и на 30% — алюминиевого, и этот выигрыш позволил увеличить массу электрической батареи на 250-350 килограммов. Однако Александр Тюнин уверен, что BMW промахнулась в расчете экономики модели: цена на препреги для композитов оказалась выше, чем ожидалось, и о серийном производстве таких машин пока говорить не приходится.

Но, несмотря на ошибки и объективные сложности, тренд очевиден. Углепластик для массивных компонентов начал применять и Mercedes: из синтетического материала изготавливают корпуса моторов и несущей системы балочной конструкции. В модели SL65 Black Series за счет новых деталей массу автомобиля удалось снизить примерно на 170 килограммов.

Применению композитов в отечественном автомобилестроении мешает их дороговизна, считает Алексей Малышев, руководитель проектов ПК «Селеста», производящей облегченные конструкции для ГАЗ, ПАЗ, КамАЗ и «Урал». «Оборудование и материалы для изготовления композитных изделий пока значительно дороже применяемых в настоящий момент», — говорит он. Тем не менее предприятие уже начало выпуск оборудования для производства углепластиков.

Активно развивает композитное направление в электротранспорте компания «Юматекс». Она же под брендом Air Force производит композитные обвесы для спортивных мотоциклов. Высокая жесткость и низкий вес углепластикового обвеса позволяют разогнать мотоцикл до скорости свыше 300 километров в час и более четко проходить повороты.

Ежегодный спрос на композиты марки SMC от «Татнефть-Пресскомпозит» со стороны российских производителей автокомпонентов составляет в натуральном выражении 20 тыс. тонн, а в денежном — 5 млрд рублей. Еще недавно доля импорта этой продукции превышала 70% (потребители привыкли к итальянским маркам Menzolit и Polynt), но с уходом с рынка зарубежных поставщиков в 2022 году объемы реализации отечественных марок SMC и BMC возросли в четыре с половиной раза.

Рост выпуска композитных материалов для автомобилестроения приведет к снижению их стоимости и расширению использования новых материалов в производстве, предполагает гендиректор группы «ТехноСпарк» Олег Лысак. По его словам, углепластики сейчас актуальны для малосерийных продуктов — например, в объеме 100 комплектов деталей для беспилотного автомобиля. Делать массовый штамп для крыла автомобиля с окном под лидар слишком дорого, а изготовить сложную форму из композита для небольшой серии гораздо дешевле.

Спортивная экзотика

Локальный, но показательный пример применения композитов — легкие и прочные защитные лицевые маски для футболистов, регбистов, хоккеистов. Это одна из сфер отработки новейших технологий и наращивания популярности современных материалов. Стартап ST.Mask группы «ТехноСпарк» выпускает такие маски для профессиональных спортсменов и любителей, имеющих травмы носа или скул, а также для пациентов, перенесших ринопластику. Каждая маска стоит 120 тыс. рублей, и компания работает над удешевлением продукции, но и сейчас цена гораздо ниже, чем €3000, которые раньше платили за маску наши футболисты в Швеции.

«В нашей стартап-студии есть две контрактные компании, которые работают на рынке композитов. Они ориентируются на еще свободные в России технологические ниши: робототехнику, включая БПЛА, медицинские изделия (это не только ST.Mask, но и рукава для формовки ортезов), спорт (клюшки, весла, защитные щитки). Высокая стоимость композитов пока не позволяет внедрить их в массовое производство. Поэтому сейчас композиты используются в тех отраслях, где они рентабельны благодаря высокой износостойкости и отсутствию коррозии таких материалов», — рассказывает Олег Лысак. По его словам, лицевые защитные маски на 100% состоят из карбона, как, например, мебель и хоккейные клюшки. Среднегодовой рост в отрасли композитов составляет более 10%, а за последние пять лет объем выпуска увеличился в три с половиной раза.

Композитные мосты для всего мира

Если говорить о России, то сейчас композиты наиболее востребованы в строительстве, ТЭК и ЖКХ: здесь речь идет о значительно более дешевых, чем в авиапроме, материалах и конструкциях, использующих технологические находки в других отраслях. Один из самых простых примеров — оконные и дверные профили из стеклопластика: обладая низкой теплопроводностью, он лучше сохраняет тепло в помещении. Стеклопластик используется также для изготовления труб, бассейнов и элементов водных аттракционов.

В строительстве тоже есть несколько очевидных применений, в частности дорожная инфраструктура. Так, НЦК поставил композитные перила и водоотводные лотки для участка ЦКАД (Московская область), Президентского моста (Ульяновск) и многих других мостов от Калининграда до Сахалина. Композитная арматура производства НЦК применяется в малоэтажном, коттеджном строительстве с использованием ячеистого бетона. Сейчас эта компания — крупнейший в России и странах СНГ производитель композитных систем внешнего армирования: ламелей, углеродных лент и сеток для усиления железобетонных конструкций зданий и сооружений, мостов, путепроводов.

Применяются композиты и в ТЭК. «Уже пять лет мы поставляем композитные футляры региональным подразделениям АО „Газпром газораспределение“. Первый такой футляр отправился в Казань во время подготовки к чемпионату мира по футболу в 2018 году: там реконструировали дорожную развязку, защитив проходящий под ней газопровод. Прогнозный срок службы композитных футляров достигает 50 лет, при их установке не нужны сварочные работы, равно как и электрохимзащита», — говорит Евгений Рафаилов, руководитель департамента продаж НЦК.

«Татнефть-Пресскомпозит» обладает собственным производством композитных труб для ТЭК мощностью 2000 км в год; строятся еще две дополнительные линии, которые позволят суммарно увеличить выпуск до 3000 км. Компания также запустила инновационный проект по изготовлению композитных изделий с применением восполняемых биологических волокон растительного происхождения. Уже сегодня стекловолокно можно заменить льном или коноплей.

«Сибур» в 2022 году ввел в эксплуатацию первое в РФ производство малеинового ангидрида (МАН) — сырья для композитных материалов — мощностью 45 тыс. тонн в год. Инвестиции в проект оцениваются на уровне 50-70 млрд рублей. Ранее 100% этого рынка в России составлял импорт, теперь же ожидается снижение его доли до 10%. Емкость рынка МАН в нашей стране — 10 тыс. тонн, остальные 35 тыс. тонн вынужденно экспортируются. В мировой практике ключевые отрасли (строительство и транспорт) перерабатывают до 70% МАН (из него производятся арматура, окна, емкости и трубы, кабельные лотки).

С развитием жилищного строительства и локализацией переработчиков сырья спрос на МАН в России будет расти, уверены в «Сибуре».

На форуме «Композиты без границ» представители индийских компаний агитировали российских коллег создавать совместные предприятия — присылать специалистов для восстановления мостов и зданий и строить ограждения, не позволяющие животным выходить на высокоскоростные магистрали. Так, председатель совета директоров Dandekar Brothers Чандрашекхар Дандекар рассказывает, что у его компании есть госконтракты на несколько сотен мостов, при этом на каждый мост необходимо около 20 тыс. квадратных метров углеволокна — его надо где-то производить. По словам бизнесмена, для создания СП с индийским партнером российской компании потребуются всего три-четыре недели и специалисты со знанием английского языка.

Сипи Агравал отмечает, что производство композитов довольно выгодно: если со стали его предприятие получает 15-18% прибыли, то с углепластиков — 30%. Сейчас в компании на трех площадках по выпуску композитов трудятся 145 человек.

У российской компании «Армпласт» уже два десятка производств по всей стране, в том числе выпускающих продукцию на экспорт, и еще два предприятия в Индии. Изготавливают там арматуру, сетки, конструктивные опоры для растений, диэлектрики для электропастухов.

По словам директора по стратегическому развитию, управляющего партнера Центра полимерных композитов Анатолия Жирикова, его предприятие в октябре 2022 года запустило в Мордовии завод с инвестиционным планом более миллиарда рублей. Компания предлагает композитные изделия и конструкции взамен традиционных (бетон, сталь, алюминий), а также владеет контрактным производством композитов. Конечные потребители продукции — предприятия транспортной инфраструктуры, городской среды, нефтегазовый сектор, химическая промышленность, специальное и гидротехническое строительство.

Таким образом, композитная отрасль в России — это не только зона стратегического импортозамещения и создания новых технологий для атомной промышленности, космоса и авиапрома, но и перспективный растущий рынок в области строительства и ЖКХ.