Термопласты, композиты, наномембраны и другие новые материалы с уникальными свойствами создают с помощью цифрового проектирования. Компьютерная модель позволяет еще и спрогнозировать свойства будущего материала на всех этапах, от синтеза до эксплуатации и утилизации.
Сегодня новые материалы открывают не в лабораторных экспериментах, а на экранах компьютеров, с помощью цифрового проектирования и моделирования. Ученые могут спрогнозировать материал, который будет обладать полезными свойствами: например, устойчивостью к перепадам температуры или давления, высокой прочностью или упругостью, теплопроводностью и т. п. На модели также можно рассчитать, как будет вести себя при разных условиях и внешних воздействиях готовая деталь. Все это делает процесс создания нового материала, изучение его свойств и внедрение в промышленность гораздо более дешевым, быстрым и предсказуемым.
Программное обеспечение для проектирования и моделирования материалов — относительно новое, но перспективное направление. По данным инфраструктурного центра «Технет», в 2022 году рынок этого ПО оценивался в 692,8 млн долларов, а к 2030 году вырастет до 1190,43 млн долларов. Сейчас в этой сфере работают многие западные ИТ-гиганты вроде Siemens и Autodesk. Свои программные продукты создают и российские разработчики. Например, в Центре НТИ МГТУ им. Н. Э. Баумана запустили бесплатное приложение PolymerAI, которое с помощью искусственного интеллекта может спрогнозировать свойства материала (в том числе и пока не синтезированного) по составу или химической формуле.
Еще одна важная составляющая цифрового материаловедения — это базы данных с описанием свойств материалов. Они нужны для прогнозирования возможности создания новых материалов и их поведения в различных условиях. Эти данные также используются в машинном обучении.
Среди отечественных баз данных стоит упомянуть проект «Росатома» — платформу по созданию и управлению данными о свойствах материалов ТМиК (технологии, материалы и конструкции). В его рамках информация о материалах будет объединяться с данными о технологиях их производства.
В 2025 году ученые «Росатома» завершили формирование базы данных свойств аддитивных материалов, которые используются в 3D-печати. Она содержит сведения о более чем 60 характеристиках разных сплавов, металлопорошковых композиций, сталей, из которых получают изделия для авиации, космической и атомной отраслей. Эта база данных, как ожидается, ускорит время подбора материалов для создания сложных изделий в 3–5 раз.
Разработка новых материалов для промышленности стала для многих стран государственным приоритетом. В США еще в 2011 году был запущен проект «Геном материалов», в рамках которого работает программа «Разработка материалов для революции и создания нашего будущего». В нее за 10 лет инвестировали более 270 млн долларов. Подобные исследовательские проекты финансируются государственными органами в Китае и Европейском союзе.
В России в 2024 году был принят национальный проект «Новые материалы и химия», на финансирование которого в 2025–2030 годах запланировано около 170 млрд рублей. В его рамках, в частности, до 2027 года ожидается сооружение девяти площадок для опытно-промышленного производства и масштабирования продукции в области материалов и химических веществ. Считается, что одним из результатов выполнения этого нацпроекта станет уменьшение времени от разработки материала до внедрения сначала до 5–10 лет, а затем до 2–3 лет.
Фото: Алексей Башкиров / Газета «Страна Росатом»
Комментарии экспертов
«Моделирование, синтез и эксперимент образуют замкнутый цифровой цикл разработки»
«Моделирование, синтез и эксперимент образуют замкнутый цифровой цикл разработки»
Как исследователи создают новый материал?
Создание нового материала начинается с этапа цифрового проектирования, когда с помощью квантово-химического моделирования, молекулярной динамики и методов машинного обучения моделируются потенциальные кристаллические структуры и рассчитываются их физико-химические свойства (прочность, теплопроводность, устойчивость к радиации и др.). Использование специализированных программных пакетов и материаловедческих баз данных позволяет эффективно отсеивать малоперспективные варианты.
Затем наиболее интересные кандидаты синтезируются в лаборатории с применением современных технологий: от химического осаждения и лазерной абляции до методов высоких давлений или 3D-печати. Полученные образцы проходят экспериментальную валидацию, сравниваются с расчётами и при подтверждении свойств проходят оптимизацию под технологические процессы. Таким образом моделирование, синтез и эксперимент образуют замкнутый цифровой цикл разработки.
Как происходит испытание материала?
Испытания делятся на структурные и эксплуатационные. На первом этапе применяются методы электронной и рентгеновской микроскопии, спектроскопии, дифракции. Они позволяют подтвердить кристаллическую структуру, фазовый состав, обнаружить дефекты.
Далее следуют физико-механические испытания: проверяются прочность на разрыв, твердость, усталость, жаростойкость, стойкость к коррозии и радиации. В атомной отрасли особое внимание уделяется радиационной стойкости, долговечности при высоких температурах и совместимости с другими конструкционными материалами. Всё чаще испытания сопровождаются цифровыми методами визуализации, а на стадии опытно-промышленного внедрения — интеграцией с цифровыми двойниками изделий и процессов.
Какие материалы можно назвать сейчас самыми перспективными? Какие у них сферы применения?
Среди наиболее перспективных направлений можно выделить высокоэнтропийные сплавы. Они сочетают высокую прочность, термостойкость и стойкость к радиации. Они перспективны для применения в ядерных установках, реакторах нового поколения, авиации. Затем стоит отметить двумерные материалы (графен, нитрид бора, переходные дихалькогениды) — они могут применяться в электронике, сенсорах, системах хранения энергии. Также можно отметить сверхтвердые материалы, включая ультратвёрдые фазы фуллерита и алмазоподобные покрытия, они критичны для режущих инструментов, буровых головок и защитных покрытий в условиях экстремальных нагрузок.
Углеродные нанотрубки обладают выдающимися механическими, тепловыми и электрическими характеристиками. Используются в составе полимерных композитов для повышения прочности и теплопроводности, в токопроводящих покрытиях, экранах от электромагнитных помех и перспективных сорбентах для газоразделения. Разрабатываются также мембраны на основе нанотрубок для водоочистки и водородной энергетики.
Эти материалы критичны для технологического суверенитета, повышения эффективности промышленных процессов и устойчивости к внешним факторам, включая высокие температуры и радиационные нагрузки.
Фото: Пресс-служба НИТУ МИСИС
«Сегодня мир материаловедения активно развивается, предлагая уникальные решения для разных сфер человеческой деятельности»
«Сегодня мир материаловедения активно развивается, предлагая уникальные решения для разных сфер человеческой деятельности»
Создание нового материала — сложный и непредсказуемый процесс, включающий ряд этапов, начиная от теоретического моделирования и заканчивая экспериментальной проверкой структуры и свойств полученных образцов. Он обычно включает в себя следующие этапы:
1. Постановка цели и выбор направления исследования.
Все начинается с формулировки целей разработки нового материала. Это может быть улучшение механических свойств (прочность, гибкость, коррозионная стойкость и.т.д), создание материалов с особыми свойствами (теплоизоляционные, электропроводные, стойкие к химическим воздействиям, биосовместимые) или решение конкретных проблем, которые формулируют предприятия промышленности, медицинские центры или пищевая отрасль. Например, ученые могут стремиться создать легкий и прочный композитный материал для авиационной промышленности, разработать полимер с высокими теплоизоляционными характеристиками для строительства энергоэффективных зданий или создать биосовместимый материал для технологий биопечати.
2. Теоретическое моделирование и компьютерное проектирование.
Перед началом экспериментов важно провести предварительное исследование с использованием компьютерных моделей. Современные методы молекулярного моделирования позволяют предсказывать свойства будущих материалов ещё до их физического синтеза различными способами. Например, учёные используют квантово-химические расчёты и метод Монте-Карло для анализа поведения атомов и молекул. Кроме того, применяются специализированные программы (Materials Studio, VASP или Gaussian), позволяющие оценить структуру, прочность, теплопроводность и другие характеристики потенциального материала.
3. Подбор компонентов и технологии синтеза.
Следующим этапом является подбор исходных веществ и определение условий синтеза будущего материала. Этот этап включает эксперименты по созданию образцов материалов различными методами, такими как спекание порошков, химическое осаждение, литьё, электрохимический синтез и др. Для разных типов материалов используются разные подходы. Например, металлы и сплавы получают методом плавления и последующей обработки давлением. Полимеры часто синтезируют путём реакций полимеризации. Композитные материалы создаются путем объединения двух или более компонентов (например, углеродных волокон и смолы).
4. Изучение структуры и свойств полученных материалов.
Полученные образцы подвергаются различным физическим и химическим испытаниям для оценки их характеристик, при этом могут быть использованы разнообразные способы, такие как:
5. Оптимизация состава и определение технологий производства.
Анализируя полученные результаты, исследователи вносят изменения в рецептуру и условия создания, повторяя цикл испытаний и оптимизации до достижения желаемых характеристик материала. Иногда приходится изменить компоненты, пропорции исходных веществ и т.д, чтобы добиться нужных свойств. Например, для повышения прочности керамического композита могут быть добавлены армирующие волокна или увеличена плотность упаковки частиц порошка перед прессованием.
6. Тестирование в реальных условиях эксплуатации.
Далее новый материал проходит серию тестов в условиях, приближенных к реальному использованию. Для авиастроительных материалов проводят испытание на устойчивость к высоким температурам, вибрации и нагрузкам, тогда как, например, медицинские имплантаты испытывают на совместимость с тканями организма. И только после успешного прохождения всех стадий тестирования материал признаётся пригодным для промышленного внедрения.
Таким образом, разработка новых материалов представляет собой комплексный процесс, сочетающий фундаментальные научные знания, современные технологии и инженерные решения. Создание инновационных материалов способствует развитию многих отраслей экономики и улучшает качество жизни людей.
Сегодня мир материаловедения активно развивается, предлагая уникальные решения для разных сфер человеческой деятельности. Среди наиболее перспективных материалов можно выделить следующие:
1. Умные материалы (intelligent materials). Это материалы, обладающие способностью самостоятельно реагировать на изменение внешней среды, будь то температура, влажность, освещение или механические воздействия. Например, к ним относятся сплавы с памятью формы (shape memory alloys)? cамовосстанавливающиеся материалы (self-healing materials), природоподобные материалы (nature-inspired materials). Они применяются в авиационной технике, медицине, строительстве, энергетике.
2. Полимерные композиты (polymer composite materials). Эти материалы состоят из двух или более компонентов, каждый из которых усиливает друг друга. Их преимущество в прочности, легкости и устойчивости к коррозии. Области их применения: конструкции самолетов и космических аппаратов, детали авто и мототранспорта, спортивный инвентарь.
3. Градиентные материалы (gradient materials)/ Функционально-градиентные материалы — это инновационный класс материалов, свойства которых плавно изменяются в пространстве, что позволяет им сочетать несовместимые в обычных условиях характеристики. Благодаря этому они находят применение в самых разных областях – от медицины до аэрокосмической промышленности, например, в производстве деталей машин, элементов зданий, биомедицинских имплантатов.
4. Структурные краски (structural paints). Современные лакокрасочные покрытия могут сочетать декоративные качества с функциями защиты поверхности. Новые поколения покрытий обеспечивают антибактериальное действие, нейтрализацию загрязнений воздуха, регулирование теплового режима помещений. Их используют в строительстве, мебельной промышленности, в производстве бытовой техники.
5. Биодеградируемые пластики (biodegradable plastics). Биоразлагаемые материалы представляют альтернативу традиционным пластмассам, разрушаясь естественным путем под действием микроорганизмов. Они находят применение в изготовлении упаковки пищевых продуктов, одноразовой посуды, медицинских устройств.
6. Перспективные материалы для строительства (construction materials). В строительной индустрии появляются инновационные материалы, позволяющие возводить экологически чистые и устойчивые здания. Например, антисейсмические панели, фасадные системы с изменением цвета и теплопроводности, водонепроницаемый бетон с саморегенерацией трещин.
Фото: Пресс-служба Московского Политеха
«Современный процесс создания нового материала – это комплексная, многоступенчатая работа, которая все чаще использует методы цифрового моделирования»
«Современный процесс создания нового материала – это комплексная, многоступенчатая работа, которая все чаще использует методы цифрового моделирования»
Как исследователи создают новый материал?
Современный процесс создания нового материала – это комплексная, многоступенчатая работа, которая все чаще использует методы цифрового моделирования. Например, в нашей деятельности мы используем методы вычислительного материаловедения, такие как CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams), для предсказания структурно-фазового состава и ключевых свойств сплава на основе его химического состава еще до его синтеза в лаборатории. Это позволяет целенаправленно разрабатывать материалы с заданными параметрами, например, жаропрочные титановые сплавы на интерметаллидной основе (типа TiAl, Ti2AlNb), где необходимо контролировать образование хрупких фаз.
После компьютерной оптимизации состава сплав выплавляют в вакуумных печах (например, дуговой или электронно-лучевой плавкой) для предотвращения окисления. Затем материал подвергают сложной термомеханической обработке (прокатка, ковка, термический отжиг) для формирования нужной микроструктуры, отвечающей за высокие эксплуатационные характеристики.
Как происходит испытание материала?
Испытания материала делятся на лабораторные и натурные. В лаборатории проводятся механические испытания на растяжение, сжатие, ползучесть и длительную прочность при высоких температурах (для жаропрочных сплавов), что позволяет определить ключевые механические свойства. Для так называемых «умных» материалов (smart materials) с особыми свойствами, например, с инвар-эффектом, с высочайшей точностью измеряют коэффициент теплового расширения (ТКЛР) в широком диапазоне температур.
Натурные испытания имитируют реальные условия эксплуатации. Детали из новых сплавов (например, лопатки газотурбинных двигателей) испытывают в специальных стендах, подвергая их термическим и механическим нагрузкам, идентичным рабочим. Это финальный этап проверки, подтверждающий результаты цифрового и лабораторного моделирования.
Какие материалы можно назвать сейчас самыми перспективными? Какие у них сферы применения?
Список перспективных материалов огромен, но я выделю ключевые группы, имеющие стратегическое значение для таких проектов, как национальный проект «Новые материалы и химия». Прежде всего это материалы для 3D-печати: специальные металлические порошки (жаропрочные никелевые сплавы, титановые сплавы, стали), керамические и полимерные композиты, предназначенные для послойного синтеза. Они позволяют в короткий срок создавать сложнейшие детали с минимальными отходами, интегрированные системы охлаждения, легкие конструкции, например, для аэрокосмической отрасли (облегченные кронштейны, турбинные лопатки), медицины (индивидуальные имплантаты с пористой структурой) и других областей науки и техники.
Высокоэнтропийные сплавы (сокращено ВЭС или High-Entropy Alloys). Это сплавы, состоящие из нескольких (обычно 5 и более) основных элементов в приблизительно равных атомных долях. Такие материалы обладают уникальными комбинациями свойств: сверхвысокая прочность и твердость при низких температурах, исключительная износо- и коррозионная стойкость, магнитные свойства. Применяются в качестве покрытий для повышения износостойкости инструмента, материалов для работы в экстремальных условиях (ядерная энергетика, космос), в качестве замены дорогим сплавам на основе кобальта и никеля.
«Умные» материалы и материалы для энергетики. Они меняют свои свойства под внешним воздействием. Примером могут служить материалы с памятью формы или регулируемым ТКЛР, термоэлектрики, материалы для водородной энергетики и др. Они применяются в качестве мембран для топливных элементов, материалов для хранения водорода, а также в робототехнике, медицине (стенты, микроманипуляторы) и т.д. Сплавы с регулируемым ТКЛР и инвар-эффектом незаменимы в высокоточном оборудовании: в космических телескопах, спутниковой аппаратуре, лазерных системах и прецизионных измерительных приборах, где размеры конструкции не должны меняться при колебаниях температуры.
Жаропрочные титановые сплавы на интерметаллидной основе, такие как TiAl, Ti2AlNb. Основное их применение — это изготовление лопаток турбин низкого давления и турбокомпрессоров в авиадвигателях. Они значительно снижают их массу оборудования и повышают рабочую температуру в камере сгорания, что позволяет увеличить КПД и мощность.
Углеродные и гибридные наноматериалы, такие как графен, углеродные нанотрубки, нановолокна, а также их композиты с полимерами, металлами и керамикой. Они обладают рекордной удельной прочностью, электропроводностью, теплопроводностью. Легкие и прочные композиты для авиации и автомобилестроения, гибкая электроника, аккумуляторы и суперконденсаторы с повышенной емкостью, новые системы фильтрации.
Фото: Пресс-служба УрФУ