Замкнули композитную цепочку
Сергей Кудияров
специальный корреспондент журнала «Эксперт»
29 ноября 2021, 00:00
В России запущено производство, полностью замыкающее технологическую цепочку выпуска композитных материалов из углеродного волокна
В Елабуге (ОЭЗ «Алабуга», Татарстан) открылся завод по производству полиакрилонитрильного прекурсора (ПАН-прекурсора) — материала для выпуска углеродного волокна. Для производства 1 кг композита нужно примерно 2,5 кг прекурсора.
Статья по теме:
Когда пластик крепче стали
Стоимость проекта составила 8,5 млрд рублей. Строительство завода профинансировано госкорпорацией «Росатом» (5,2 млрд рублей), самой ОЭЗ «Алабуга» (3 млрд рублей, инфраструктура промышленной площадки) и Минпромторгом России.
Мощность производства сейчас составляет 5000 тонн продукции в год. На предприятии создано 167 новых рабочих мест.
График 1Импорт углеволокна в Россию
ФТС РФ
Реализовала проект углеродная «дочка» «Росатома» компания UMATEX. Еще шесть лет назад на территории той же ОЭЗ компания ввела в эксплуатацию завод по производству углеродного волокна «Алабуга-волокно» мощностью в 1400 тонн в год. Но прекурсоры для этого производства поступали из-за рубежа, пока в 2018 году поставки как самого волокна, так и прекурсоров для его изготовления были остановлены из-за санкций США. С запуском производства прекурсоров Россия окончательно избавляется от всякой зависимости от иностранных поставок при производстве этой стратегически важной продукции.
«Это отличная новость для России. Теперь, с запуском этого производства, наша страна имеет полную технологическую цепочку производства изделий из углеволокна», — отмечает председатель совета директоров компании “Унихимтек” Виктор Авдеев. — Мономерное производство в Саратове уже было. Было освоено производство волокон и продукции из композитных материалов. А вот ПАН-прекурсоров, белого такого вещества, которое получают из мономеров и используют для выпуска волокон, еще не было. Его покупали в Китае и в других странах. Теперь у нас есть полностью своя цепочка производства».
Генеральный директор «Росатома» Алексей Лихачев также отмечает высокую значимость события — замкнута технологическая цепочка в стратегически важном направлении производства: «Мы создали уникальную цепочку, от сырой нефти до высококачественных товаров… Цепочка замкнута, цепочка российская. Я уверен, что впереди у нас огромная востребованность этого производства. Буквально четыре-пять лет назад 80 процентов композитов в России были импортные. Прошло несколько лет, и уже 90 процентов композитов — наши, отечественные. При этом рынок в целом вырос в два раза».
Таблица 1Сравнительные свойства отдельных материалов
Источник: Umatex Group
От хижины до самолета
Композитным можно считать неоднородный сплошной материал из двух или более компонентов с четкой разницей между ними. Укрупненно композитные материалы складываются из двух типов компонентов — матрицы (армирующей составляющей) и наполнителя.
График 2Структура мирового рынка композитов по типу армирующего компонента
Lucintel
График 3Мировое потребление композитных материалов
МИЦ "Композиты России"
График 4Мировой рынок углеволокна
Markets&Markets
В широкой трактовке к композитным можно отнести самые разные материалы. Например, банальный саман — необожженный кирпич из смеси глины с соломой, известный племенам не самого высокого уровня развития еще с древнейших времен. Или, например, хорошо знакомую всем клееную фанеру.
И все же обычно под композитными подразумеваются минеральные или полимерные материалы с улучшенными (относительно традиционных) свойствами (подробнее см. «Материал для победы», «Эксперт» № 9 за 2021 год).
Например, в 1930-е годы в Советском Союзе силами Всесоюзного научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) была создана дельта-древесина. Пропитав слои шпона фенол- или крезолформальдегидной смолой и спрессовав их, инженеры получили материал, который легче и прочнее многих сплавов на основе алюминия. Более того, дельта-древесина была огнестойкой и не покрывалась плесенью. Этот композит массово использовался для производства отечественных боевых самолетов до перехода к реактивной авиации.
Самым массовым (по тоннажу) композитным материалом стало представленное в 1935 году компанией Owens-Corning стекловолокно. Сейчас на него приходится до 87% всего мирового потребления композитов (в натуральном измерении). Это и конструкционные материалы, и спортивные товары, и компоненты для машиностроения. Так, еще в 1954 году в США был представлен первый автомобиль с кузовом из стеклопластика (Kaiser-Darrin). В Советском Союзе мелкосерийное производство микроавтобусов с кузовом из стеклопластика (на шасси ГАЗ) в 1960-е годы осуществлялось Северодонецкой авторемонтной базой.
Правда, свойства стекловолокна были неидеальны, поэтому продолжился поиск более совершенных материалов. Из числа прорывных изобретений в этом направлении можно отметить созданные в 1970-е годы компанией DuPont арамидные волокна (широко известные как кевлар). Сейчас это общеизвестный материал, используемый в бронежилетах. Он в пять раз прочнее стали. Создавали его как материал для армирования автомобильных шин, он и сейчас применяется в этих целях. Им также им армируют медные и волоконно-оптические кабели.
Наиболее прогрессивными конструкционными материалами нашего времени можно считать углеродные волокнистые материалы. Это уникальные продукты, созданные на базе высоких технологий для обеспечения выпуска авиакосмической и оборонной техники, атомного машиностроения. В структуре углеволокна атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Углеродное волокно получают путем термической обработки органических волокнистых полимеров, не плавящихся при термообработке.
Углеродные волокна обладают рядом уникальных свойств (прочность, долговечность, температурный диапазон применения), что выделяет их в ряду других армирующих волокон. Они обладают низкой плотностью (1,7 г/см³ против 2,8 г/см³ у алюминия и 7,8 г/см³ у стали) и высокими упруго-прочностными свойствами (прочность 1900‒3700 МПа против 200‒980 МПа у различных сортов стали и 450 МПа у алюминиевых сплавов). Углеродные волокна имеют исключительно высокую теплостойкость, в инертной или восстановительной среде они выдерживают температуру 1500‒2000 °С и даже до 2500‒3000 °С, что позволяет применять их для создания уникальных теплозащитных и теплоизоляционных материалов, а также деталей авиадвигателей.
Эти материалы самые дорогие из использующихся в промышленности армирующих волокон. Так, по данным Infomine Research Group для 2019 года, если стоимость различных типов стекловолокна находилась в интервале 1,1‒3,5 долл./кг, арамидных волокон (кевлара) — порядка 25 долл./кг, то для углеродных волокон она составляла десятки и сотни долларов за килограмм.
Однако уникальные свойства окупают эти затраты. Поэтому те же углеродные волокна находят широчайшее применение в авиации. Например, в Boeing 787 DreamLiner из композитных материалов на основе углерода изготовлено 50% элементов фюзеляжа. У некоторых моделей легких самолетов и вертолетов — до 90%. Более 70% композитов, используемых в современной авиации, составляют углепластики.
«Композитные материалы — это самолеты, беспилотные летательные аппараты, космические технологии. Например, на МС-21 требуется шесть-семь тонн композитов. На широкофюзеляжный российско-китайский самолет — в четыре раза больше. Умножьте шесть-семь тонн на 72 самолета (планы выпуска МС-21. — “Эксперт”) — вот вам уже гарантированная потребность. Если цену удастся снизить до 14 долларов за килограмм, то открываются широкие перспективы его применения для автомобилей, морских судов и так далее — везде, где требуется сочетание легкости и прочности. Здесь другой порядок объемов производства, чем в полимерной химии, у того же “Запсибнефтехима”. Но это направление не менее, а может, даже более важно», — отмечает Виктор Авдеев.
Россия делает сама
В настоящее время в мировой практике наиболее широко в качестве сырья для получения углеродных волокон используются ПАН-прекурсоры. ПАН-прекурсор определяет 70% качественных и 40% стоимостных характеристик углеволокна.
Зависимость от импорта подобной продукции может быть критической. В этом мы могли убедиться наяву, когда запуск в серию перспективного отечественного авиалайнера МС-21 пришлось отложить из-за введенных в 2018 году санкций США (это привело к остановке поставки импортных материалов для изготовления крыла самолета).
«Первый самолет на российском углеволокне мы поднимем воздух в конце этого года, в декабре», — заявил замглавы авиастроительной компании «Иркут» Анатолий Гайданский. А планировали сделать это еще в 2019-м.
Однако если в случае с МС-21 речь идет просто о недобросовестной конкуренции со стороны западных «партнеров», то в оборонной сфере уже может появиться угроза национальной безопасности.
Композитные материалы уже сейчас широко применяются в оборонной сфере. Это и кевларовая броня, и стеклопластики в военном судостроении (например, при изготовлении минных тральщиков проекта 12700, корветов проекта 20380) и как тара для боеприпасов, это ракетная техника (современные межконтинентальные баллистические ракеты широко используют композитные материалы). Это и углеволокно — материалы на его основе, например, широко используются в новом истребителе Су-57. А еще космические технологии, атом. Зависеть в таких сферах от воли враждебных держав совершенно неприемлемо.
«Развитие производства углеродного волокна поможет обеспечить потребности авиастроительного и других рынков в высококачественной продукции, закрепить независимость от импорта в сфере композитных материалов, успешно конкурировать на международных рынках, представляя продукцию, которая не уступает по качеству и цене зарубежным аналогам», — отметил на открытии нового производства в Елабуге председатель правительства России Михаил Мишустин.
Пока что в Елабуге используется оборудование итальянской компании МАЕ. Однако есть и планы полной локализации всех сопутствующих технологий, вплоть до собственного производственного оборудования. «“Росатом” планирует локализовать производство необходимого оборудования, в том числе на основе наших отечественных разработок. Это отличный, яркий пример несырьевого развития экономики страны, — отмечает Виктор Авдеев. — Производство углеволокна сейчас составит полторы-две тысячи тонн в год, “Росатом” рассматривает увеличение объемов производства до 10 тысяч тонн в год. Это выведет Россию на одни из лидирующих позиций в мире по этому направлению».
По итогам 2019 года потребление полимерных композитных материалов в России составило 58 млрд рублей, или чуть больше 70 тыс. тонн в натуральном выражении. Это в два с половиной раза больше, чем было еще в 2013 году. Но на фоне иных индустриальных держав эти показатели выглядели не слишком убедительно. Среднедушевое потребление композитных материалов в России в 2019 году составило порядка 0,5 кг, в то время как в ряде других стран — от 2,3 до 10,6 кг.
Мировой рынок углеволокна оценивается на уровне 80‒90 тыс. тонн (не менее 3,5 млрд долларов), из которых на Россию приходится 1‒1,6%.
По прогнозам, в перспективе до 2030 года потребление композитных материалов в большинстве регионов мира будет расти со среднегодовым темпом 6%, в России — 9%. Углеволокно, как наиболее прогрессивный на сегодня материал, имеет шансы расти с еще большими темпами.