Инновационные проекты

Работа проводится при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Договор №260АГР/19283, по конкурсу Развитие-15 II).

Наименование НИОКР – разработка технологии производства цианат-эфирных связующих для углепластиков космических аппаратов.

Цель проекта – разработка связующего нового поколения с уникальными свойствами и технологии их синтеза для многократного улучшения качества и срока службы антенных комплексов космических аппаратов.

Работа по предлагаемому проекту позволит создать материалы для космических антенных комплексов нового поколения, значительно повысив эффективность и срок службы российских космических аппаратов.

При создании космических антенных комплексов нового поколения наиболее важно обеспечить высокую размеростабильность антенн и их длительный срок службы на орбите.

Размеростабильность необходима для сохранения математически точной формы антенны, обеспечивающей её высокие чувствительность, разрешение и соотношение сигнал/шум. Для размеростабильности материал антенны должен быть максимально жёстким (иметь большой модуль Юнга), но чем жёстче материал, тем он более хрупок. В космосе на околоземном аппарате при перепадах температур от –160°С до +160°С жёсткие материалы начинают образовывать микротрещины, которые увеличиваются после каждого термоцикла. Микротрещины снижают все основные характеристики антенны (чувствительность, разрешение, соотношение сигнал/шум) и со временем приводят к деградации антенны и потере её работоспособности, что многократно снижает срок службы космического аппарата на орбите.

Для разработанных в середине прошлого века и используемых в настоящее время на российских космических аппаратах эпоксидных связующих соотношение жёсткость/трещиностойкость давно достигло своего предела, поэтому создание антенн нового поколения возможно только с применением новых инновационных материалов.

В начале XXI века в США и Англии были синтезированы уникальные химические соединения - цианат-эфиры, мономерные звенья которых обладают огромной жёсткостью, а при отверждении образуют полимерные сетки, с повышенным свободным объемом, то есть сетка содержит микропустоты. Благодаря микропустотам на молекулярном уровне, при температурных перепадах напряжения снимаются, не приводя к микротрещинам. Этот уникальный класс полимеров имеет соотношение жёсткость/трещиностойкость более чем в 10 раз лучше, чем у эпоксидов, являясь своего рода революцией в космическом материаловедении.

Более того, полиэфирцанаты имеют в 5-6 раз меньшее влагопоглощение, чем эпоксиды, что также значительно улучшает качество антенн, поскольку испаряющиеся в космосе из объема углепластика молекулы воды ухудшают его размеростабильность и создают микротрещины.

Здесь важно также отметить, что в настоящее время цианат-эфирные связующие для космической промышленности производятся только в США и Англии, все они попадают под санкции как продукция двойного назначения и запрещены к поставке в Россию.

Реализация данного проекта:

1) позволит обеспечить Российскую космонавтику критически важным материалом, запрещенным к поставке в Россию из-за санкций США и стран Европейского Союза;

2) даст возможность выхода на зарубежный рынок с инновационным материалом, превосходящим по качеству известные аналоги зарубежных конкурентов.

Для реализации данного проекта ООО «НИИКАМ» располагает 1200 м2 производственных площадей и 800 м2 площадей лабораторного назначения.

Основными средствами для реализации проекта являются:

– анализатор динамический механический Perkin Elmer DMA 7E;

– лабораторная установка Perkin Elmer DMA7 / ТМА7 (анализ свойств различных образцов);

– газовый хроматограф Shimadzu GC-2010 (оснащен контроллером давления газовых потоков, спец.программное обеспечение);

– диссольвер марки DISPERMAT CN40F2;

– калориметр дифференциальный сканирующий DSC 214 с редукторами тонкой регулировки GCE-DRUVA;

– пресс ручной для формирования таблеток с бромидом калия;

– ротационный испаритель RV 10 digital V;

– система охлаждения Perkin Elmer: калориметр, контроллер, ПО;

– спектрометр УОТЕР МИКРОМАСС 3МД Б/У 2002 г. (для определения структуры сложных молекул);

– ИК-фурье спектрометр Shimadzu IR Prestige-21 (анализ микропримесей);

– спидмиксер лабораторный вакуумный планетарный (Германия);

– сушильный шкаф с принудительной конвекцией Memmert UF55plus;

– универсальная машина марки ИР 5082-50;

– весы CAUX-220 CAS.

Командой нашего института разработан метод получения цианат-эфирного преполимера на основе бисфенола А, а также изучены закономерности катализа органометаллическими комплексами при отверждении цианат–эфирного связующего.

В 2010 г. наша команда начала работу над проектом по созданию связующих с улучшенными эксплуатационными свойствами для условий космического пространства. Был выполнен патентный поиск, подготовлен литературный обзор по данной тематике, а также проведен всесторонний анализ состава продукции зарубежных производителей. В 2011 г. наша команда разработала оригинальный способ получения цианат-эфирного связующего, получен патент. Далее были исследованы основные свойства связующего и изучено влияние различных органометаллических соединений на кинетику полимеризации связующего и закономерности катализа органометаллическими комплексами при отверждении цианат-эфирных олигомеров.

Новизна работ НИИКАМ и научный задел в области синтеза цианат-эфиров подтверждается полученным патентом Российской Федерации №2484102 от 03.11.2011 на изобретение “альтернативный способ получения преполимера дицианата бисфенола А” (авторы: Булавка В.Н., Аристов В.Ф.).

В данном патенте описан альтернативный способ получения олигомерного цианат-эфирного связующего. Ключевым преимуществом разработанного способа является возможность получения олигомерных цианат-эфирных связующих с увеличенным сроком хранения (временем жизни) по сравнению с известными техническими решениями, описанными, например, в патенте DE 2460228, использованном в качестве прототипа.

Способ, предложенный ООО «НИИКАМ», дает возможность приготовления цианат-эфирных связующих с заданным количеством катализатора, что существенно повышает технологичность применения данных материалов.

Анализ продукции ведущих мировых производителей композитных материалов, таких как, Hexcel Corporation, TenCate (слияние с Amber Composites), Cytec (слияние с Umeco) и т.п., показывает, что наилучшими характеристиками для изготовления материалов, выдерживающих условия космического пространства, являются композиты на основе цианат-эфирных связующих:

1) HexPly 996, HexPly 954-3 (Hexcel Corporation, США);

2) BTCy-1, BTCy-1A, BTCy-2, BTCy-3A, EX-1515, RS-3; RS-3C, RS-9D, RS-12B, TC410, TC420 (TenCate, США);

3) HTM 110, LTM 123, HTM 143, LTM 110 (Cytec (Umeco), США).

Эта тенденция к использованию цианат-эфирных связующих при создании углепластиковых конструкций космических аппаратов подтверждается также тем, что данные материалы были выбраны для таких высокотехнологичных конструкций как:

1) обшивка сотовых панелей супер-легковесного грузовика для доставки оборудования на телескоп «Хаббл»;

2) каркас и несущие конструкции системы зеркал космического телескопа имени Джеймса Вебба;

3) корпус частного орбитального самолета Lynx Mark II.

Ниже в таблице 1 приведены некоторые сравнительные характеристики связующих ЭНФБ (производитель ВИАМ), EX-1515 фирмы TenCate (США) и разработанного в нашем институте на уровне лабораторных образцов однокомпонентного цианат-эфирного связующего (шифр: НИИКАМ-РС). В настоящем НИОКР планируется разработать масштабируемую технологию производства цианат-эфирного связующего опираясь на лабораторный метод его синтеза.

Таблица 1

Некоторые сравнительные характеристики связующих

Показатель Связующее
ЭНФБ
(ВИАМ)
EX-1515
(TenCate)
НИИКАМ-РС
(ООО «НИИКАМ»)
Трещиностойкость* в условиях
термоциклирования ±120°С,
100 циклов, трещин/см2
7,51 0,25 0
КЛТР, ppm/°С 64 61 53
Е**, ГПа 4,1 4,0 4,3
РВП***, % 1,5 0,25 0,23

*    Оценивается методом акустоэмисионного анализа в процессе термоциклирования;

**   Е – модуль упругости при изгибе;

*** РВП – равновесное влагопоглощение при относительной влажности 60 % и температуре 25°С.

Как видно из данных, представленных в таблице 1 трещиностойкость при термоциклировании для цианат-эфирных связующих EX-1515 и НИИКАМ-РС оказывается на порядок выше, чем у связующего ЭНФБ (эпоксиноволачная анилинофенолоформальдегидная смола сдобавкой фурфурилглицидилового эфира). Таким образом получается, что традиционно применяемое для углепластиковых конструкций космического назначения связующее совершенно неприменимо для изготовления размеростабильных и ответственных элементов конструкции космических аппаратов, которые предназначены для длительной эксплуатации. Особенно сильно возникновение микротрещин и дефектов в углепластике сказывается на радиотехнических и геометрических характеристиках антенно-фидерных устройств, которые сильно ухудшаются при растрескивании углепластиковых рефлекторов, то есть приводят к потере космического аппарата после нескольких лет эксплуатации. Отсутствие растрескивания при термоциклировании (±120°С) цианат-эфирного связующего НИИКАМ-РС является существенным преимуществом перед связующим фирмы TenCate(США) EX-1515 при изготовлении размеростабильных конструкций.

Улучшение технологических характеристик нового цианат-эфирного связующего достигается за счёт применения специально подобранной системы катализаторов отверждения и особого режима олигомеризации.

Кроме того, в результате проведенных исследований удалось создать оригинальную запатентованную олигомерную структуру, обеспечивающую лучшие характеристики по сравнению с аналогичной продукцией американских и английских конкурентов. Так, углепластики на основе связующего, разработанного ООО «НИИКАМ», имеют более высокий модуль Юнга, повышенную прочность, значительно меньшее газовыделение и влагопоглощение, что тоже важно для космического применения.

На сегодняшний день подтверждённая письмами потребность предприятий космической отрасли в данном материале составляет 2850 кг в год. Предлагаемое к разработке цианат-эфирное связующее будет поставляться основным предприятиям космической отрасли. Потребность в авиационной промышленности, автомобилестроении и других отраслях составляет около 250 тонн в год. В настоящее время на рынке нет цианат-эфирного связующего отечественного производства, а импортное связующее не доступно для аэрокосмической отрасли в связи с санкциями. Основными иностранными компаниями, производящими связующие на основе цианат эфиров являются фирмы TenCate (США) и Cytec, однако они не продают связующее как таковое, а только препреги на его основе. Поставки препрегов в Россию этими фирмами в настоящее время не производятся из-за экономических санкций, наложенных правительством США и стран западной Европы на товары военного и двойного назначения. Существенного изменения в ближайшем будущем (3-5 лет) ситуация на рынке цианат-эфирного связующего не претерпит в связи с тем, что даже в случае отмены санкций изделия военного назначения должны быть произведены из отечественных материалов.

В целом мировой рынок углеродных композиционных материалов на текущий момент по прогнозу Prepreg market (Global forecasts to 2019) бурно развивается и показывает прирост от 18,5% до 30% в год. По статистике, космос и авиапром потребляют 20% композитов, 40% уходят транспорту и строителям, 15% электронике и машиностроению. По прогнозам, к 2020 г. мировое производство углепластиков увеличится с нынешних 90 до 240–260 тыс. т в год. Cвязующее НИИКАМ-РС произведённое по разрабатываемой технологии будет стоить дешевле зарубежных аналогов, однако при этом существенно превосходит их по ряду ключевых параметров, которые имеют важное значение при выборе конструкционного материала космического назначения. Так КЛТР связующего должен быть как возможно ниже, так как это является определяющим для размеростабильных конструкций. КЛТР для связующего НИИКАМ-РС несколько меньше чем у зарубежных аналогов, а следовательно углепластик на его основе меньше подвержен термическому деформированию – более размеростабилен и как следствие имеет большую трещиностойкость при термоциклировании. Влага, поглощённая углепластиком будет испаряться в космосе, что приведёт к неравномерным напряжениям в высыхающем полимере и следовательно деформированию изделия. Таким образом, чем ниже влагопоглощение (и ОПМ), тем меньше будет отличаться геометрия изделия на земле и в космосе, как видно из таблицы по этому параметру НИИКАМ-РС так же несколько превосходит другие цианат-эфирные связующие. Потеря массы изделием при помещении его в вакуум связана как с удалением воды, так и других веществ, которые затем могут конденсироваться на холодных частях космического аппарата и приводить к выходу из строя (ухудшению характеристик) оптики, различных датчиков и солнечных преобразователей. Для космических аппаратов значение ЛКВ должно быть как можно ниже. Связующее НИИКАМ-РС по значению ЛКВ на порядок превосходит установленные для космических аппаратов нормативы и несколько лучше, чем связующие конкурентов (таблица 2).

Таблица 2

Сравнительные технико-экономические характеристики

Наименование продукта Характеристики
КЛТР1),
ppm/°C
ОПМ2),
%
ЛКВ3),
%
ВП4),
%
Цена,
руб./кг
EX-1515 (Tencate) 61 0,18 0,01 0,5 220 000 КЛТР1), ppm/°C 61 55 55 53
HexPly 954-3 (Hexcel) 55 0,20 0,01 0,7 180 000 ОПМ2), % 0,18 0,20 0,20 0,11
LTM123 (Cytec) 55 0,20 0,01 0,7 160 000 ЛКВ3), % 0,01 0,01 0,01 0,008
НИИКАМ-РС 53 0,11 0,008 0,4 100 000 ВП4), % 0,5 0,7 0,7 0,4
Цена, руб./кг 220 000 180 000 160 000 100 000

1) Коэффициент линейного термического расширения;

2) Общая потеря массы в вакууме (потеря массы за вычетом влаги);

3) Легко конденсирующиеся вещества (в условиях космоса);

4) Влагопоглощение (на земле).

В настоящее время имеются письма от потенциальных покупателей о их заинтересованности в приобретении цианат-эфирного связующего НИИКАМ с указанием годовой потребности (табл.3).

Таблица 3

Имеющиеся официальные письма от предприятий космической отрасли
и необходимые им объёмы цианат-эфирного связующего

Имеющиеся официальные письма от предприятий космической отрасли и необходимые им объёмы цианат-эфирного связующего

Организация Заявленные объёмы спроса, кг
АО «ИСС» им. М.Ф.Решетнева 800 Заявленные объёмы спроса, кг 800 1000 100 950
ООО «СКТБ «Пластик» 1000
ОАО «Композит» 100
ФГБУН ФИАН 950

Так, как на внешнем рынке имеются препреги на основе цианат-эфирного связующего фирм конкурентов (Cytec - США, TenCate - США, Hexcel - США, Lonza - Швейцария) то для продвижения своей продукции, превосходящей зарубежные аналоги необходимо будет проводить адресную рекламную компанию, включающую наукоёмкое обоснование преимуществ нашего связующего. В связи с особенностями космической отрасли, выбор материалов для ответственных элементов космических аппаратов обосновывается их свойствами. Следовательно, выход на зарубежный рынок цианат-эфирного связующего представляется весьма перспективным поскольку имеется преимущество по свойствам материала при более низкой цене.

Стратегия продвижения продукта заключается в реализации разрабатываемого инновационного материала следующим потенциальным потребителям:

1) АО «ИСС им. Решетнева», г. Железногорск;

2) РКК «Энергия» им. Королева;

3) КБ Салют ГКНПЦ им. Хруничева;

4) РКЗ им. Хруничева;

5) ФГУП «Научно-производственное объединение им. Лавочкина», г. Химки;

6) НПО Машиностроения, г. Реутов;

7) АО «ГРЦ им. академика В.П. Макеева» (КБ им. Макеева, г. Миасс);

8) ФГУП «ГКНПЦ имени М. В. Хруничева», Россия, г. Москва;

9) РКЦ «Прогресс», г. Самара;

10) ООО «СКТБ «Пластик», г. Сызрань;

11) ОАО «Корпорация комета», Россия, г. Москва;

12) ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения»;

13) ОАО «Композит», г. Королев;

14) ОАО «Сатурн», г. Краснодар;

15) АО «НПП «Квант», г. Москва;

16) АО «Корпорация «ВНИИЭМ», г. Москва;

17) АО «НИИЭМ», г. Истра;

18) АКЦ ФИАН, Россия, г. Москва.

После удовлетворения спроса на цианат-эфирное связующее Российского сегмента рынка космических материалов наша фирма будет продавать продукцию иностранным покупателям. С целью обеспечения этой возможности с 2020 года будет проводиться рекламная компания среди иностранных аэрокосмических фирм.

НИОКР будет реализовываться в два этапа, каждый из которых имеет продолжительность 6 месяцев. Общее время работы над НИОКР будет 12 месяцев. Весь проект по созданию производства отечественных цианат-эфирных связующих для нужд космической промышленности планируется на 5 лет. После создания в конце НИОКР пилотной установки мощностью 1 тонна цианат-эфирного связующего в год будет создана опытно-промышленная установка по производству до 10т/год. Опытно-промышленная установка будет построена в конце пятого года после начала НИОКР, после полного и всестороннего изучения возможностей по модификации продукции и динамики её спроса. Это необходимо для того чтобы скорректировать необходимые объёмы производства цианат-эфирного связующего и материалов на его основе. Финансирование проекта предполагается проводить с прибыли от продажи связующего.

На 1-ом этапе НИОКР предполагается проведение патентно-литературного поиска, детальное изучение уровня техники с учетом достижений в данной области, а также отработка лабораторного метода синтеза связующего с целью установления закономерностей, которые позволят разработать масштабируемую технологию получения цианат-эфирного связующего и проект экспериментальной установки на производство 1 т/год цианат-эфирного связующего.

Для реализации этого этапа будет превлечено 7 500 000 рублей от финансирования фондом и 7 500 000 рублей из собственных средств ООО «НИИКАМ». Такое распределение внебюджетных средств связано с необходимостью приобретения оборудования для изготовления нестандартного оборудования (реакторов, смесителей, теплообменников и.т.д.) и его модернизации в процессе выявления тех или иных недостатков.

На первом этапе будут выполняться следующие работы:

1) Патентный поиск и анализ существующего уровня техники по теме выполняемого НИОКР;

2) Изучение возможности применения для синтеза цианат-эфирных связующих с улучшенными свойствами новых перспективных мономеров, в частности, использование мономера, содержащего адамантановый фрагмент;

3) Разработка удобного способа аналитического контроля за ходом процесса образования преполимера цианат-эфирного связующего;

4) Подбор катализатора либо каталитической смеси для отверждения цианат-эфирной смолы;

5) Оптимизация условий для стадии внесения катализатора либо каталитической смеси в отверждаемую смолу;

6) Проведение физико-механических испытаний образцов отвержденного связующего и углепластиков на его основе;

7) Выполнение эскизов и чертежей пилотной установки для выпуска цианат-эфирного связующего мощностью 1 т/год;

8) Написание промежуточного отчета.

На 2-ом этапе НИОКР предполагается создание и ввод в эксплуатацию пилотной установки для серийного выпуска цианат-эфирного связующего мощностью 1 тонна в год. На пилотной установке должны быть реализованы демонстрационные испытания, подтверждающие работоспособность созданной установки по выпуску цианат-эфирного связующего. Эксплуатация установки позволит получить необходимые исходные данные для проектирования нового производства цианат-эфирного связующего мощностью не менее 10 тонн в год и создать техническое задание на проектирование нового производства. Этот этап планируется выполнять только за счет средств фонда, а именно 7 500 000 рублей.

На втором этапе будут выполняться следующие работы:

1) Испытания, подтверждающие работоспособность созданной пилотной установки по получению цианат-эфирного связующего;

2) Изучение особенностей масштабирования процесса получения цианат-эфирного связующего;

3) Опытная эксплуатация пилотной установки для уточнения режимов и условий получения цианат-эфирного связующего с заданными свойствами;

4) Разработка технических инструкций для нового производства цианат-эфирного связующего;

5) Подача заявки на патент, защищающий полученную в ходе работы интеллектуальную собственность;

6) Подготовка технического задания на проектирование производства цианат-эфирного связующего мощностью не менее 10 т/год.