Центр компетенций НТИ «Моделирование и разработка новых функциональных материалов с заданными свойствами»

Центр компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Моделирование и разработка новых функциональных материалов с заданными свойствами» на базе ФГАОУ ВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет» (НГУ)

Основной миссией Центра является создание единой цифровой платформы технологий и инструментов разработки функциональных материалов с заданными свойствами и изделий из них, существенно влияющих на рыночный потенциал конечных продуктов мировых рынков НТИ и технологических проектов-маяков.

Цели и задачи

Главная цель работы Центра - сократить время разработки и вывода нового материала на рынок за счет применения цифровых технологий моделирования и управления распределенными ресурсами. Для ее достижения Центр ведет работу по трем направлениям:

Создание проектного офиса, который руководит работами по созданию и внедрению новых материалов для нужд российской промышленности. Основными задачами в этом направлении будут:
- разработка совокупности методов и технологических процессов создания функциональных материалов, свойства которых обусловлены их структурой на микроуровне, включая методы, позволяющие управлять свойствами такого материала целенаправленными воздействиями;
- разработка математических методов, позволяющих спроектировать материал или разработать процесс его производства с учетом целевых характеристик продукта, требований к стоимости и физическим свойствам материала или изделия;
- разработка технологий изготовления изделий из таких функциональных материалов;
- разработка методов контроля свойств материалов и функциональности изделий из них в процессе их использования;
- разработка методов переработки и утилизации функциональных материалов.
Создание инфраструктуры. Для решения широкого спектра задач материаловедения на современном уровне, требуется очень мощная инфраструктура суммарной стоимостью порядка миллиарда долларов. В то же время, участники консорциума в совокупности уже обладают почти всем необходимым оборудованием, но оно распределено между разными организациями. Задача Центра – обеспечить эффективное совместное использование этой инфраструктуры, создание цифровой управляющей платформы, обеспечивающей это.
Образовательное направление. Это подразделение Центра будет формировать компетенции, необходимые для всех групп стейкхолдеров проекта, действующих на всех целевых рынках НТИ: разработчиков, пользователей и специалистов в области коммерциализации разрабатываемых продуктов и технологий. При этом традиционные образовательные услуги будут дополняться дистанционными формами, обеспечивая максимальный охват целевых аудиторий.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Значимые результаты научно-исследовательской деятельности за 2022 год по проектам:

Разработка концепции и прототипа цифрового паспорта материала:
- Сформулирована концепция цифрового паспорта материала - обновляемой цифровой базы данных о материале, содержащей исчерпывающие данные о его эксплуатационных характеристиках, микроструктуре, производственных процессах, включая модели, описывающие взаимосвязи между ними.
- В качестве материала для разработки прототипа цифрового паспорта материала был выбран препрег на основе углеродной ткани АСМ 102-С200Т (АО «Препрег-СКМ», ГК Росатом) в силу того, что это отечественный композитный материал, который распространен в промышленности РФ, в том числе авиационной: МС-21, SSJ-NEW, ТВРС, ЛМС, УТС-800 и т. д. В рамках ОКР Минпромторга РФ ООО «ИК ЦТО» будет выполнять большой объем испытаний препрега ACM102 в 2023-2025 годах.
- В 2022 году проведены испытания более 700 образцов, вырезанных из монолитных и трехслойных сэндвич-панелей. Испытания включали в себя статическую, усталостную прочность, а также прочность после нанесения дефекта. Кроме того, были разработаны и валидированы по результатам испытаний модели данного материала. Данный комплекс работ позволит в 2023 году создать цифровой паспорт данного материала и внедрить его в промышленность.
Создание технологии «Цифровой двойник процесса высокоэнергетического воздействия на перспективные композитные материалы для авиакосмической техники:
- Разработаны уравнения состояния и модели нестационарного деформирования и разрушения композитных материалов. Показана их применимость в термодинамических расчетах ударно-волновых воздействий и для проведения прогностического моделирования процессов высокоэнергетического воздействия на композит. Важность результатов определяется необходимостью решения задач защиты от ударов микрометеоритов и различных объектов на околоземной орбите («космического мусора») со скоростями соударения до 15 км/с, которые не достижимы в лабораторных условиях.
- Создана база данных по уравнениям состояния на электронном носителе с удаленным доступом.
- В Федеральную службу по интеллектуальной собственности представлена на регистрацию программа для ЭВМ или базы данных «Программа для расчета термодинамических параметров многослойных мишеней при одномерном динамическом ударно-волновом нагружении».
Электрохимически активные углеродные материалы и композиты на их основе для емкостной деионизации воды и производства пероксида водорода из воды и кислорода для последующего использования в индустрии, водоподготовке, коммунальном хозяйстве, ремедиации почв и для оптимизации обращения с ТБО:
- Исследованы и найдены подходящие функциональные углеродные материалы для процессов емкостной деионизации воды и электрохимического синтеза H2O2 – это дает возможность на следующем этапе изготавливать электродные сборки на основе этих материалов.
- Разработаны первые конструкции электрохимических ячеек для проведения упомянутых процессов и разработаны методики исследования электроматериалов с использованием этих ячеек.
Разработка технологии создания новых функционально градиентных материалов и покрытий с заданными физико-механическими свойствами с применением высококонцентрированных потоков энергии:
- Впервые проведено комплексное исследование влияния лазерного излучения при взаимодействии с порошковой смесью на базе никелевых сплавов (Inconel 625 и Inconel 718, а также порошка MetcoClad 52052). Изучено влияние параметров лазерной наплавки (мощности лазерного излучения, скорости сканирования, расхода порошка, размера фокального пятна) как на геометрические характеристики, так и на микроструктуру формируемых единичных треков. По результатам оптимизации параметров лазерной наплавки найдены режимы для создания многослойных градиентных металлических базисных образцов характеризующихся отсутствием внутренних дефектов (поры и трещины).
- Для гетерогенных металлокерамических покрытий показана эффективность предварительного нагрева подложки для достижения отсутствия трещин и пор в наплавляемых многослойных покрытиях. Это открывает возможность создания покрытий без внутренних дефектов с высоким содержанием керамических частиц.
Разработка перспективных магнитных материалов для новых технологий электроники, элементной базы информатики: построение теоретических моделей и экспериментальные подходы:
- Выбраны и верифицированы теоретические модели, позволяющие предсказать существование стабильных интерфейсов FePt(L10)[001]/TiO2[001] в композитных материалах FePt/TiO2. Теоретически предсказаны условия, при которых образуется твердотельный FePt кластер, находящийся в фазе L10 стабилизирующийся в антиферромагнитное состояние. Проведен жидкофазный синтез наночастиц FePt, содержащих фазу фазе L10. Получен массив теоретических данных, который крайне важен для дальнейшего прогнозирования магнитных свойств FePt наночастиц и композитных материалов FePt-TiO2, а также прогнозирования их стабильности, в том числе влияние дефектов, качества интерфейса между FePt и TiO2, рассогласования кристаллических решеток, а также обогащения железом или платиной на условия образования Fe-O, Pt-O связей и расчет антиферромагнитного вклада в общую намагниченность. Полученные данные по расчетам критического размера твердотельной фазы FePt важны как для управления увеличением каталитической активности материала, так и для улучшения селективности катализа, для корректировки условий синтеза FePt/TiO2 композитных материалов.
Технология получения вяжущего из α-оксида алюминия и корундовых безусадочных огнеупоров на его основе:
- С использованием подготовленного сырья получены два вида вяжущих материалов на основе альфа-оксида алюминия и добавок солей (оксихлорида циркония или нитрата алюминия). Отработаны экспресс-методы контроля качества вяжущих материалов на основе анализа гранулометрического состава и удельной поверхности. Применение добавок позволяет отказаться от временных связок, полученное вяжущее работает как низко- и высокотемпературная связка. С использованием качественных образцов вяжущих материалов изготовлены лабораторные образцы огнеупоров с использованием статического прессования и виброформования плотностью 2,63-3,00 г/см3 и прочностью до 120 МПа, усадка – не более 2%.
- В рамках РИД оформлено уведомление по теме: «Композиция высокопрочной керамики на основе оксида алюминия и способ ее получения» (в процессе проведения исследований по изготовлению лабораторных образцов тиглей для синтеза композитов на основе алюминиевых и медных сплавов были разработаны составы и получены лабораторные образцы керамики: а) на основе α-оксида алюминия с добавкой оксихлорида циркония плотностью 3,71 г/см3, прочностью 941,5 МПа, объемная усадка после термообработки при 1600оС составила 44,5%; б) на основе α-оксида алюминия с добавкой нитрата алюминия – плотностью 3,54 г/см3, прочностью 899,4 МПа, объемная усадка после термообработки при 1600оС составила 38,9%).

Создание важных объектов инфраструктуры

В 2022 году по направлению развития информационной инфраструктуры, а также инфраструктуры научной, научно-технической и инновационной деятельности для обеспечения реализации планов мероприятий («дорожных карт») НТИ было начато создание двух объектов инфраструктуры (ЦКП):

Распределенный Центр моделирования, расчетов и проектирования и Цифровой управляющей платформы
Распределенный Центр исследований и испытаний

Создание и лицензирование РИД

В течение 2022 года по проектам Центра были созданы 18 РИД, среди которых:

Подана 1 заявка на выдачу патента на полезную модель;
Получены 2 свидетельства о регистрации для программ для ЭВМ и подана 1 заявка на регистрацию программы для ЭВМ;
Подготовлена заявка на регистрацию 1 базы данных, заявка будет направлена в ФИПС в 2023 году;
В НГУ зарегистрированы 12 ноу-хау;
Зарегистрирован 1 объект авторского права – дополнительная профессиональная образовательная программа профессиональной переподготовки/повышения квалификации и учебный методический комплекс «Цифровое моделирование системы «материал-покрытие» для производства деталей горячего тракта газотурбинных агрегатов».

В течение 2022 года организацией, на базе которой создан Центр, был заключен один договор неисключительной лицензии на использование объекта авторского права – образовательной программы и учебного методического комплекса, а также было заключено 12 договоров отчуждения права на результаты интеллектуальной деятельности.

Консорциум

В число участников консорциума входит 21 организация:

11 вузов и научных организаций (ФГАОУ ВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», АНО ВО «Сколковский институт науки и технологий», ФГБУН Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, ФГБУН Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, ФГБУН Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет», ФГБОУ ВО «Сибирский федеральный университет», ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет», ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина»).
9 коммерческих организаций (ООО «Исследовательский Комплекс Центра Технологического Обеспечения», АО «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетнева», ООО «Ростовые технологии», АО «Новосибирский завод полупроводниковых приборов Восток», АО «Бийское производственное объединение «Сибприбормаш», ООО «Технологическая компания «Оптоприбор», ООО Завод «Сибизол», ООО «Сибизолстрой», АО «Новосибирский завод радиодеталей «ОКСИД»).

Проекты

В целях реализации Программы Центра НТИ «Моделирование и разработка новых функциональных материалов с заданными свойствами» планируется выполнить ряд ключевых комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектов:

Разработка концепции и прототипа цифрового паспорта материала.
Разработка методик моделирования огнеупорных свойств материала, антипиренов. Разработка подходов к обеспечению пожаробезопасности композитных конструкций с помощью функциональных материалов.
Электрохимически активные углеродные материалы и композиты на их основе для ёмкостной деионизации воды и производства пероксида водорода из воды и кислорода для последующего использования в индустрии, водоподготовке, коммунальном хозяйстве, ремедиации почв и для оптимизации.
Разработка технологии создания новых функционально градиентных материалов и покрытий с заданными физико-механическими свойствами с применением высококонцентрированных потоков энергии.
Разработка новых комплексно легированных многокомпонентных композиционных керамических материалов конструкционного и инструментального назначения с заданными показателями физико-механических и триботехнических свойств.
Высокопористая α-Al2O3 керамика с узким распределением пор по размерам и наноструктурированная алюмооксидная керамика конструкционного назначения с экстремальными механическими свойствами.
Технология получения вяжущего из α-оксида алюминия и корундовых безусадочных огнеупоров на его основе.
Создание базовых элементов технологии верификации виброакустических характеристик новых конструкционных материалов для аэрокосмической техники.
Разработка композиционных материалов на основе аморфных и нанокристаллических магнитомягких сплавов и создание образца экранирующей конструкции для защиты от постоянных и переменных магнитных полей.
Разработка инновационных композиционных электрохимических покрытий и принципов их конструирования.
Разработка композиционного материала на основе алюминия и технологии нанесения покрытий с повышенной твердостью.
Разработка композиционного материала на основе титанового порошка, армированного диборидом гафния, для термобарьерных покрытий.
Разработка новых жидкокристаллических метаструктур для изготовления пространственных ЖК модуляторов волнового фронта субтерагерцового диапазона и системы визуализации объектов на их основе.
Разработка новых численных методов повышенной точности для расчета и оптимального проектирования слоистых, гибридных и анизогридных композитных конструкций и создание на их основе цифрового двойника гибридного металлокомпозитного бака высокого давления, масштабируемого как по внутреннему объему и весу, так и по нагрузкам начального разрушения.
Моделирование технологических процессов, микроструктуры и эксплуатационных свойств системы «материал-конструкция-покрытие» металлических и керамических деталей горячего тракта ГТУ и ГПА, и элементов теплоизоляции с отработкой опытных образцов.
Исследования в области разработки новой конкурентоспособной технологии создания интерметаллидных покрытий с использованием комбинированного метода ХГДН с последующей лазерно-термической обработкой.

Образовательная деятельность

Целью реализации образовательной части программы Центра является подготовка практико-ориентированных специалистов для разработки, внедрения и рыночного использования новых материалов с заданными свойствами и изделий из них.
Предполагается, что университеты, вошедшие в состав Центра, станут площадками, на которых разработанные внутри консорциума курсы, модули и программы будут широкомасштабно вводиться в учебный процесс, в том числе, с использованием дистанционных форм обучения.

К реализации планируются такие образовательные технологии, как:

разработка и внедрение в образовательную практику гибких, практико-ориентированных образовательных форматов, в т.ч. с российскими и зарубежными университетами - партнерами Консорциума;
создание и развитие системы передачи знаний о технологиях «из первых рук», от технологических лидеров (представителей Промышленных партнёров) и экспертов российского и мирового уровней (представителей университетов и НИИ - участников консорциума) к студентам и специалистам, повышающим профессиональную квалификацию;
формирование сетевой образовательной среды, где есть общая система обмена знаниям, которыми свободно пользуются и те, кто учит, и те, кто учится;
подготовка востребованных рынком специалистов в рамках гибких образовательных траекторий между направлениями и профилями подготовки на основе меж- и мультидисциплинарного подхода;
обучение участников проектов создания проектов для новых рынков (период реализации персональных траекторий – 1,5-3 месяца, в состав которых входят 2-3 дневные интенсивы и онлайн-обучение).