Материализация идей: как в «Росатоме» создают новые материалы

Одно из важнейших направлений комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в РФ» (РТТН) — ​новые материалы и изделия из них. В «НИИграфите» импортозамещают пьезоматериал, необходимый, в частности, для создания отечественных томографов. НИИ НПО «Луч» работает над методом 3D-печати изделий из карбида кремния, востребованных в космической и атомной отраслях.

Данил Михеев
Руководитель направления, лаборатория синтеза и исследования новых материалов, «НИИграфит»

— Пьезоэлектрические материалы обладают способностью преобразовывать механическую энергию, деформацию, в электрический сигнал — ​разность потенциалов. Есть материалы, которые демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект: под действием электрического поля возникает механическое напряжение. Пьезоматериалы широко применяются для генерации и приема ультразвуковых волн, в частности в медтехнике, в микрофонах, гидроакустических системах и охранных датчиках.

Пьезоэлектрики изготавливают из керамики или полимеров. У каждого класса свои преимущества и недостатки. У керамики высокие коэффициенты преобразования, но она достаточно хрупкая и сложная в производстве. Полимерные материалы технологичны, имеют обратимую гибкость, но пьезоэффект относительно слабый.

В рамках программы импортозамещения мы разработали пьезоэлектрический композиционный материал из отечественных компонентов. Он объединяет преимущества керамики и полимеров: гибкий и прочный, с высокими коэффициентами преобразования энергии.

Сейчас разрабатываем ультразвуковой томограф. Аналоги — ​с керамическими материалами, мы хотим попробовать новый пьезокомпозит. Совместно с Акустическим институтом им. академика Андреева работаем над звукопрозрачной конформной приемной гидроакустической антенной.

Дмитрий Чесноков
Директор отделения оптических и информационных технологий, НИИ НПО «Луч»

— Карбид кремния всегда вызывал большой интерес с точки зрения применения в космической и атомной отраслях. Это обусловлено его физико-механическими свойствами. Высокий модуль Юнга в совокупности с низкой плотностью позволяет изготавливать из карбида кремния легкие и прочные конструкционные и функциональные детали, способные работать при температуре более 2,5 тыс. °C.

С этим материалом «Луч» работает с 1980‑х. Но в составе нашего карбида кремния до 20 % свободного кремния. Это обусловлено технологией реакционного спекания. Мы берем химически очищенный порошок карбида кремния, замешиваем его со свободным углеродом и связующим компонентом, ноу-хау института. Дальше в гидростате проводим холодное прессование, полученную заготовку помещаем в вакуумную печь. Связующее при высокой температуре испаряется, образуется компакт — ​связка карбида кремния и графита. При необходимости обрабатываем заготовку и передаем на силицирование — ​пропитку жидким кремнием. Свободный кремний взаимодействует со свободным графитом, образуя вторичный карбид кремния. Но часть свободного кремния ­все-таки остается. Из-за этого у изделий из нашего материала температура эксплуатации ограничена температурой плавления свободного кремния и не превышает 1,35 тыс. °C. Зато он существенно дешевле высокочистого кремния, который изготавливается по дорогостоящей технологии прямого спекания. Поэтому наш продукт востребован: у нас заказывают оснастку для электронной промышленности, комплектующие для высокотемпературных технологических процессов. Работаем с производителями судовых дизельных двигателей. Также мы делаем подложки оптических элементов для лазерных комплексов высокой мощности.

Сейчас по заказу Института лазерно-физических исследований саровского ядерного центра осваиваем изготовление зеркал метрового класса. Если они успешно пройдут испытания в составе лазерного комплекса, у нас появится возможность участвовать в тендерах на поставку зеркал и для космического применения.

Трудность в том, что такие зеркала должны иметь сложную ячеистую структуру, это делает их легкими и обеспечивает требуемые механические характеристики. Получить такую структуру по нашей технологии можно, но это трудно и затратно. Мы подумали: что, если предварительное формообразование изделия делать на 3D-принтере? Сначала применили экструзионную технологию FDM (fused deposition modeling — ​моделирование методом послойного наплавления. — ​«СР»). Заказали кит-комплект принтера для печати пластиком, модернизировали немного, установили экструдер. Ноу-хау в том, что мы смогли получить пасту для печати нужной консистенции, которая выдавливается ровным слоем, без разрывов. Пока экспериментируем на небольших заготовках, результаты хорошие.

Изделия, полученные FDM-методом, все равно надо подвергать отжигу для удаления связующего и силицированию. Прямое спекание карбидокремниевого порошка лазерным излучением позволит уйти от этих операций. Технологию мы отрабатываем совместно с Центральным научно-исследовательским институтом технологии машиностроения, «ЦНИИТМАШем». В порошок карбида добавляем связующее, которое под воздействием лазерного излучения образует расплав и позволяет проводить формообразование. Метод подойдет для печати крупногабаритных изделий с более высокой температурой эксплуатации. В 2022 году мы показали принципиальную жизнеспособность подхода: на оборудовании «ЦНИИТМАШа» напечатали образцы из нашего порошка. Недавно приступили к разработке технологии изготовления крупногабаритных керамических изделий методом селективного лазерного спекания с применением кластерной системы лазерно-оптического сканирования. К 2025 году будет разработана технология изготовления крупногабаритных керамических изделий методом селективного лазерного спекания и изготовлен опытный образец аддитивной установки для такой технологии.