Агафонова Г.В., Новые конструкционные материалы

Проект «Будущие лидеры технологий XXII века»
_________________________________________  

Лекция «Новые конструкционные материалы» * 

Агафонова Галина Викторовна
к.т.н., доцент кафедры
«Материаловедение и композиционные материалы» ВолгГТУ 

Уровень технического развития общества в значительной степени определяется теми материалами, которыми оно располагает. В развитии цивилизации материалы всегда играли важнейшую роль. Ученые говорят, что историю человечества можно описать как смену используемых материалов. Эпохи истории цивилизации были названы по материалам: каменный (3 млн. лет – 7-6 тыс. до н.э.), бронзовый (3,5-1,1 тыс. до н.э.) и железный века (1,1 в. до н.э.-1 в. н.э.). Возможно, нынешнюю эпоху назовут веком полимерных или композиционных материалов.

На заре цивилизаций первыми материалами, которые в первозданном виде использовал человек, были камень и древесина. Возникновение технологии обработки природного камня стало первой технической революцией. Человек использовал камень для добывания пищи, строительства, изготовления инструментов, утвари и др. Самым древним каменным орудиям, известным сегодня, 3,3 миллиона лет.

Для изготовления орудий подходили определенные виды камня. Человек уже на раннем этапе развития осуществлял выбор материалов. Идеальный камень должен был быть твердым, иметь острый скол и не разрушаться при ударе и других механических воздействиях. Чаще всего использовали кремень, а в горных районах – камень вулканической природы- обсидиан.

Следующей крупнейшей технической революцией цивилизации считается открытие технологий обработки керамики и литья меди. Человечество было в поиске новых более долговечных и надежных материалов. В III тыс. лет до н.э была открыта оловянная бронза – это сплав меди с оловом.

В результате появляются новые отрасли промышленности: литье, ковка, гравировка. Из бронзы изготавливали различные инструменты, оружие, доспехи, украшения, элементы строительства. Увеличиваются объёмы торговли за счет экспорта бронзовых изделий и международных связей.

К первому тысячелетию до н.э. легкодоступные запасы меди и олова, резко уменьшились, что способствовало активному поиску новых материалов и технологий.

Именно в это время происходит освоение технологии получения железа. Железо по сравнению с медью более дешевое и гораздо более распространённое в природе, а значит менее дефицитное. Сплавы на основе железа обладают большей твердостью, чем бронза. Поэтому изделия из бронзы начинают вытесняться железными. Из железа люди смогли изготавливать не только гораздо более эффективные орудия труда, но, к сожалению, и более смертоносное и гораздо более доступное оружие.

С окончанием железного века технологии шагали вперед. Появился пар и паровые машины, электричество. Можно сказать, что наступил их век. Но доминирующими материалами оставались сплавы на основе железа, а технологии обработки продолжали совершенствоваться. Разработка технологий древесного угля, а затем и каменного способствовали повышению температуры обработки сплавов, что привело к достижению новых свойств.

Новая эпоха в развитии материалов началась во 2-м тыс. н.э. Были разработаны приводы машин и механизмов, использующие энергию падающей воды. В XVII в. появились первые металлургические заводы, а во второй половине XIX века был уже начат промышленный выпуск стали.

XIX век ознаменован крупными открытиями: технологии электросварки и получения полимеров, которые привели к созданию абсолютно новых технологий и материалов. Появились первые электродвигатели, изобретены телефон и телеграф, радио и нагревательные приборов, а также лампы накаливания — все эти научные открытия, перевернувшие жизнь людей того времени появились благодаря новым открытиям в области материалов и технологий их обработки.

В ХХ веке начинают широко использоваться принципиально новые – композиты. Они обеспечили возможность полета в космос, производство сверхзвуковых самолетов, компьютеров, мобильных телефонов, телевизоров, электромобилей и др.

Во второй половине ХХ века дан старт развитию нового направления – наноиндустриализации.

Таким образом, с развитием науки и технологий растёт количество применяемых человеком материалов. Каждая отрасль техники предъявляет все более разнообразные и высокие требования к материалам. Поэтому технологии постоянно совершенствуются как в гражданской, так и в военной сфере.

Так что же такое «Конструкционные материалы»?

Конструкционные материалы – основные виды материалов, из которых изготовляются машины, оборудование, приборы, сооружаются здания, мосты и другие конструкции. Такие материалы несут основную силовую нагрузку при их эксплуатации.

Классифицируют конструкционные материалы по различным признакам:

– по применению: машиностроительные и строительные;

–по реакции на внешние воздействия: негорючие, коррозионностойкие, жаростойкие, износостойкие;

 – по природе материалов: металлические, неметаллические и композиционные;

Металлические конструкционные материалы – это сплавы различных металлов с характерными металлическими свойствами: высокие тепло- и электропроводность, металлический блеск.  К таким материалам относят сталь, бронзу, латунь, дюралюминий и др. Производством металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Сырьем служит руда – полезные ископаемые, залегающие в недрах земли. Чистые металлы, как конструкционные материалы используются редко, так как их прочность не велика, но из-за каких-то особых свойств иногда находят применение. Например, чистая медь обладает очень высокой электропроводностью и используется как проводник.

В свою очередь металлические сплавы делятся на черные и цветные.

Чёрные металлы — это железо и его сплавы (стали и чугуны). Чёрные металлы составляют более 90 % всего объёма используемых металлов, и в основном это стали.

Сталь и чугун – это сплав железа с углеродом и другими элементами. Сталь содержит до 2,14% углерода, чугун – от 2,14 до 6,67% углерода.

Свойства сталей можно очень сильно изменять содержанием углерода, введением легирующих элементов (элементы таблицы Менделеева), а также изменением технологического процесса, как непосредственно при выплавке сплава, так и при получении изделий из него. Существует огромное разнообразие сталей для различных назначений.

К знаменитым видам стали относятся булат и дамасскую сталь, которые использовали на Ближнем Востоке, от Сирии до Индии. Об этих сплавах ходят легенды. Булат впервые упоминается в трудах Аристотеля (384-332 г. до н.э.). Благодаря специальной технологии изготовления эти стали имели очень высокую твёрдость и упругость. Свойства сформировались за счет особой структуры, с видимым узором на поверхности. Булат использовался для изготовления холодного оружия — клинков мечей, сабель, кинжалов, ножей и других.

Чем больше углерода в стали, тем выше твердость и ниже пластичность. То есть изменяя содержание углерода, можно добиться существенного изменения механических свойств. Так, стали для изготовления деталей машин содержат не более 0,85 % С, а инструментальные стали, из которых изготавливают ножи, фрезы, пилы, гравировальный инструмент более 0,7 % углерода.

Другой пример, если в сталь добавить 12-14 % Cr, то решается одна из основных проблем черных сплавов – это окисление или коррозия, такая сталь становится нержавеющей. Достигаются нержавеющие свойства изменением электрохимического потенциала стали, он становится положительны, как у благородных металлов (золото, серебро, платина). Добавление никеля делает сталь немагнитной и вызвано это изменением кристаллической структуры, т.е. изменением кристаллической решетки.

Начиная с 20 века все большую ценность приобретают цветные металлы. С развитием авиации и электротехники стали широко использоваться такие металлы как алюминий, титан, медь, золото. Из алюминия и его сплавов изготавливают детали самолетов, ракет, судов, строительные элементы. Никелевые, титановые сплавы применяют в ракетных двигателях. Изделия из магниевых сплавов изготавливаются литьем и применяются в летательных аппаратах, автомобилестроении, полиграфической промышленности.

Следующая группа материалов – неметаллы. Эта группа все шире применяется в нашей жизни.

Промышленный синтез полимеров был разработан чуть меньше 100 лет назад в 20–30-е годы XX века, а в настоящее время нашу жизнь нельзя представить без пластиков, резин, одноразовой посуды, различных клеев и т.д. Благодаря ценным свойствам, полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве, медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении и в быту

Что же такое полимеры? Полимеры – это органические вещества, основу которых составляет длинная цепочка атомов, состоящая из одинаковых или похожих звеньев. Например, крахмал, полиэтилен, белок, резина, капрон и т. д. Полимеры могут быть неорганические и органические, природные и синтетические. Исключительно широкое применение получили синтезированные человеком синтетические полимеры.

Пластмасса — это форма выпуска полимера, который может выпускаться в виде волокон, плёнок, лака и т. д. Пластмасса или пластическая масса — это материал, из которого сделана полиэтиленовая кружка или емкость из полистирола или капроновая крышка - мягкий, гибкий, небьющийся.

Полимерные материалы обладают высокой пластичностью, они в большинстве своем доступны, применяемые технологии их переработки в основном малозатратные. Практически все полимеры являются хорошими диэлектриками, обладают низкой теплопроводностью, высокой механической прочностью, детали из полимеров имеют небольшую массу, достаточную коррозионную стойкость. Особые свойства полимеров объясняются, во-первых, большой молекулярной массой, т.е. числом мономерных звеньев цепочки (для полиэтилена – это этилен СН4), которая может достигать несколько миллионов, а во-вторых, тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают уникальным для неживой природы свойством – гибкостью.

Керамика. Компонентами керамических материалов обычно являются вещества с высокой температурой плавления или размягчения. Керамика промышленная – это изделия, получаемые путем спекания неорганических, неметаллических материалов (нитрида кремния, карбида кремния и диоксида циркония и др). При производстве изделий из керамики используют методы порошковой металлургии: тонкий порошок (размер частиц около 1 мкм) или смесь порошков сначала уплотняют давлением в пресс-форме, а затем спекают при высокой температуре (до 2000°С). В порошок иногда добавляют пластификатор, который повышает пластичность изделий.

Промышленная керамика широко используется при нормальных температурах в условиях, требующих от материала твердости, стойкости к истиранию и прочности. Главные области применений промышленной керамики – машиностроение, электротехника и электроника. Из керамики изготавливают различные изоляторы, из алюмооксидной керамики – подложки для монтажа микропроцессоров и связанных с ними элементов, и схем, изоляторы для магнетронов, из корундовой керамики - режущую кромку инструмента; из оксида алюминия, карбида бора или нитрида кремния получают очень твердые и прочные броневые листы и пластины для защиты человека, а также военных самолетов и вертолетов.

Композиционный материал (КМ), композит – искусственно созданный многокомпонентный материал, изготовленный из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. Компоненты составляющие композит существенно различаются по физическими и/или химическими свойствами. Сочетание таких разнородных материалов приводят к появлению нового материала с характеристиками, которые не присущи ни одному из компонентов. Композиционные материалы по удельной прочности (прочности отнесенной к плотности) могут на 50-100% превосходить стали или алюминиевые сплавы, обеспечивая при этом экономию массы конструкции на 20-50 %.

Самый первый композит – саманный кирпич с соломой (известный c доисторических времен).

Многие композитные технологии уже были известны в СССР. На композитных самолетах мы выиграли войну. При производстве истребителей использовали композиты на основе древесного шпона. Алюминиевых сплавов, высоколегированных сталей в довоенном СССР было мало для массовой постройки самолетов. Изобретение советских авиаинженеров оказалось кстати и вовремя, а страна получила оружие победы.

По структуре композиты делятся на несколько основных классов:

волокнистые, слоистые; дисперсноупрочнённые и упрочнённые частицами; нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Уже небольшое содержание наполнителя приводит к появлению качественно новых механических свойств материала.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных плёнок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц.

Путем подбора состава, ориентации наполнителя можно получить практически любые современные материалы и готовые изделия с требуемым сочетанием свойств. При этом число комбинаций исходных материалов и технологий переработки в композиты и изделия практически бесконечно и ограничено только современным уровнем развития науки и техники.

Полимеры наполняют металлами, органическими и неорганическими частицами, порошками, волокнами различной природы, даже песком. В свою очередь металлы могут содержать органические волокна, сочетать слои различной природы.

Как пример, наверняка вам известные: стеклопластики, карбопластики, стеклолиты и т.д.

Современные автомобили, самолеты, ракеты, медицинский инструмент, спортивный инвентарь и много-много других высокотехнологичных изделий нельзя было бы создать без наличия КМ.

В настоящее время наука не стоит на месте. Мы живем с вами в высокотехнологичный век, век бурного развития технологий и открытия новых материалов. По словам академика РАН Е. Н. Каблова: «Многолетняя отечественная и зарубежная практика показывает, что более 80% инновационных, прорывных разработок в ведущих отраслях промышленности и других секторах экономики базируется на внедрении новых материалов и технологий».

Достичь успехов в высокотехнологичных отраслях (военная, медицинская, химическая и нефтегазовая промышленность, ракетостроение, самолётостроение, автомобилестроение, микроэлектроника) невозможно без применения новых, современных конструкционных материалов и технологий их получения и переработки.

Наполеон Бонапарт сказал: "Народ, который не хочет кормить свою армию, будет кормить чужую".

Современная военная техника предъявляет новые, непрерывно усложняющиеся требования к конструкционным материалам (например, температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость, радиопрозрачность, радиопоглощение и др.).

Таким требования могут удовлетворить только материалы на базе специальных КМ. Мономатериалы в настоящее время не эффективны. Будущее за би-, триметаллами, КМ. К сожалению, в настоящее время широкое внедрение высокоэффективных КМ ограничивается высокими ценами на эти материалы. Снижение себестоимости продукции, разработка эффективной технологии первостепенная задача ученых и конструкторов.

На слайде представлен первый корабль – шведский корвет «Висбю», выполненный по технологии «Стэлс» (снижение заметности боевых машин посредством геометрии форм и использования радиопоглощающих материалов и покрытий) с корпусом из сэндвич-материалов. Корпус корвета выполнен из гибридного композиционного материала (sandwich-construction) — поливинилхлоридного ядра и внешней оболочки из углепластика. Углепластик обеспечивает поглощение радиоволн. Надводная часть корпуса выполнена из плоских поверхностей, расположенных под различными углами, что способствует рассеиванию электромагнитной энергии. Масса корабля на 50 % меньше аналогов.

Отечественными специалистами ОАО «НИИ стали» по техническому заданию «НПК «Уралвагонзавод» несколько лет назад создана новая броневая сталь 44С-св-Ш для перспективных образцов военной техники Армата, Бумеранг, Платформа. Промышленное освоение и производство стали осуществляет Волгоградский металлургический комбинат «Красный Октябрь». За счет применения инновационных технологических приемов удалось добиться ультрамелкозернистой структуры. В результате добились высокой твердости и достаточной пластичности стали, что позволило снизить на 15% толщину и, соответственно, вес бронеконструкций без снижения защитных характеристик.

Одним из ведущих высокотехнологических потребителей новых материалов является аэрокосмический комплекс. Новые разрабатываемые материалы должны обеспечить повышение безопасности полетов, снижение эксплуатационных расходов, расхода топлива и загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации летательных аппаратов.

Еще 20-25 лет назад в авиационно-космической промышленности использование пластмассовые композиты использовались только для внешней обшивки самолетов, некоторых элементов крыла и для внутренней отделки салона. В наши дни пластмассовые композиты используются уже для производства несущих конструкций: крыльев, фюзеляжей и поперечных балок, заменяя алюминий и титан. Согласно исследованию, которое подготовило EADS Deutschland GmbH– (Европейская космическая и оборонная комиссия), детали самолетов, изготовленные из композитов, на 15-20% легче, чем аналогичные детали из алюминия. В результате экономия на эксплуатационных расходах за счет уменьшения массы оценивается суммой от 100 до 1000 евро (в зависимости от области применения) на килограмм сэкономленной массы. Экономия образуется за счет более низких затрат на топливо и техническое обслуживание, которое необходимо из-за их усталости и коррозии при использовании металлов.

Первым пассажирским самолетом, фюзеляж которого был полностью изготовлен из композиционных материалов, стал Boeing 787. Общая доля композитов в конструкции российского самолета МС-21 («Магистральный самолёт XXI века») – 40%. На рисунке представлены композиционные узлы самолета Sukhoi Superjet 100. 

Для создания композиционных крыльев самолета МС-21 использовали продукцию компании Cytec Industries (США), которую перестали поставлять в Россию из-за американских санкций. В короткие сроки компания «Унихимтек» разработала аналог и технологию его производства. Для создания высокопрочных композитов нужны углеродные волокна, лидером этой отрасли считается японская Toho-Tenax, но в настоящее время налажен их выпуск и в России компанией UMATEX. Сейчас Россия пытается вернуть себе лидерство в производстве КМ, которое она имела начиная с 1950-х годов.

В феврале 2020 г. на Сингапурском авиасалоне Аэробус представил концепт нового пассажирского самолёта Maveric, построенного по схеме «летающего крыла». Таким образом изменив фюзеляж на форму монокрыла производитель обещает сокращение расхода топлива на 20% и столько же выбросов СО₂.

Другая проблема авиастроения, которая на сегодняшний день особенно остро стоит перед отечественными производителями — это повышение ресурса и экологической чистоты двигателей. В настоящее время в России средний ресурс двигателей составляет около 14000 часов, а двигателей фирмы «Роллс-Ройс» - 29000 часов и 30000 часов у двигателей серии CFM-56 концерна CFM International (объединение французской компании SNECMA и американской General Electric). Двигателями CFM-56 оснащены более 70% мирового парка самолетов вместимостью более 100 мест.

Перспективные материалы на основе редких и редкоземельных металлов используются во многих отраслях: в машиностроении, металлургии, химической промышленности, солнечной энергетике, атомной и водородной энергетике, приборостроении, электронике.

Сплавы с РЗЭ применяют при создании смартфонов, ноутбуков, компьютеров. Без них невозможно бы было производство аккумуляторов и не было бы таких известных брендов, как Apple, Tesla, Philips и др. В последнее десятилетие спрос на РЗЭ резко возрос и связано это с производством электромобилей (литий-ионные батареи).

Сплавы с РЗЭ применяют в оборонной промышленности для производства средств связи, высокоточного оружия, снарядов, брони; в оптоэлектронике для создания лазерных элементов. На основе неодима, диспрозия получают сплавы для создания постоянных магнитов огромной мощности. Селен используется в солнечных батареях, работающих как в открытом космосе, так и на земле.

Но, к сожалению, РЗЭ очень дороги. Поэтому стоит задача поиска равноценных аналогов, но пока он не имеет успеха и в следующие 10 лет спрос вырастет из-за стремительного роста производства электроники.

Следующая задача, над решением которой работают материаловеды всего мира – экологическая. Все РЗЭ малотоксичные и не оказывают влияние на организм человека. Но при разработке породы, остаются тяжелые воды, которые наносят существенный ущерб окружающей среде. Плюс побочными продуктами являются радиоактивные уран и торий. Решить проблему можно повторной переработкой электроники, но существующие на данный момент технологии малоэффективны и дают всего 1 % от общего объема РЗЭ.

В автомобилестроении во всем мире основным направлением развития является создание легких, безопасных, комфортабельных и экологически чистых в эксплуатации моделей. В США средняя масса легкового автомобиля составляет ~ 1150-1250 кг. Специальной программой PNGV намечено довести эту величину до 750 кг, создав модели с расходом топлива 3,5 литра на 100 км. Аналогичные программы разрабатываются в Европе. Для достижения этих целей должны широко использоваться легкие металлы (Al, Mg, Be) и их сплавы, металлические и неметаллические композиты, металлопены, керамика, интерметаллиды. Такая же задача стоит и перед отечественными производителями.

Корпус современных болидов изготовлен из углепластика (карбон, карбонопластик) – это полимерные композитные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимера. Плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. По удельной характеристикам превосходит высокопрочную сталь. Не применяется широко, так как очень дорог из-за сложной технологии производства, необходимости строгого многоуровневого контроля при производстве.

Сейчас автомобили в основном производят из дешевой стали. Если применять Al, то каждый килограмм алюминия позволит снизить общую массу машины на килограмм. Поэтому с 1970-х годов доля алюминия в общем весе автомобиля увеличилась с 35 кг до сегодняшних 152 кг, а по прогнозам экспертов, к 2025 году достигнет 250 кг. Последняя модель Range Rover с полностью алюминиевым кузовом стала легче на 39% или 420 килограмм. Это равноценно весу пяти человек.

Помимо снижения веса, алюминий отлично «гасит» удар. На свои машины Tesla установила алюминиево-титановую защиту, которая разрушает попадающие под колеса препятствия из бетона и стали и сохраняет управляемость на скорости в 200 км/ч.

Эксперты утверждают, что в ближайшее десятилетие автопроизводители существенно увеличат использование алюминия и будет разработан замкнутый цикл, когда из лома алюминиевых деталей будут создаваться запчасти для новых машин.

Пенометалл – прочный и легкий материал с теплопроводностью в разы ниже, чем у металла, из которого он изготовлен. Вспенивают алюминий, сталь, латунь, титан и различные сплавы. Пенометаллы могут останавливать бронебойные пули, сжиматься до 80 процентов от своего размера и держаться на поверхности воды. Применяют в авиа- и машиностроении, в теплоизоляции и для производства легких ударопрочных деталей. Примечательно, что пенометалл легко обрабатывается, разрезается, склеивается со различными материалами.

Новы виток развития технологий начался в середине 20 века и связан он с наноматериалами. Развитие этого направление обещает большие перспективы, подтверждением этому является присуждение за последние 15 лет четырех Нобелевских премий в области химии и физики. Россия находится на втором месте в мире по объему инвестиций в нанотехнологии, уступая лишь США (около 2$ млрд).

Для наноматериалов важна проблема их хранения и транспортировки. Из-за развитой поверхности, материалы очень активны и охотно взаимодействуют с окружающей средой.

Графен – это один слой кристаллической решетки графита толщиной в 1 атом. В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги. Сверхпрочный и сверхэлектроёмкий материал. В 100 раз более электропроводен, чем кремний, используемый сегодня в солнечных батареях. Графен гибкий, упругий и на 97% прозрачный. При этом, графен – самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза. Это материал будущего. Важно, что открыт графен нашими соотечественниками Андреем Геймом и Константином Новосёловым (г. Манчестер). Пока он дорог.1 грамм чистого графена стоит около $28 млрд. Отсутствуют промышленные технологии. Однако в нем заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Airbus. Они рассчитывают, что композиты на основе графена позволят сэкономить до 30% горючего. Электронные корпорации надеются, что графен обеспечит им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним. Samsung уже скупила десятки патентов и представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за 12 минут.

Впервые в мире инженеры испанский компании Spania GTA в суперкаре применили в качестве основы для монокока графен наряду с привычным углеволокном.

Фуллерен – один из самых известных символов нанотехнологий, имеющий большие перспективы практического применения в микроэлектронике и медицине. Имеет сферическую замкнутую форму, поверхность которой состоит из 5-ти и 6-ти угольников, в вершинах которых располагаются атомы углерода.

Хорошо поглощает ультрафиолетовое излучение. Цена 15-210 долларов за грамм. Производится и в России.

Углеродные нанотрубки — это протяженные свернутые графитовые плоскости, имеющие цилиндрическую форму. Они являются прочным материалом, который под действием механических воздействий не разрушается, а перестраивается.

В настоящее время наука переживает настоящий бум новых материалов. Выпускается огромное количество материалов, как естественного, так и искусственного происхождения. Одновременно с этим повышаются требования к их характеристикам и качеству. Поэтому специалисты в области материаловедения и технологии материалов очень востребованы. во многих отраслях: в атомной энергетике, медицине, нефтедобывающей, автомобильной, авиакосмической, оборонной, энергетической промышленностях, индустрии спорта высших достижений. В развитых странах материаловедение причисляется к трем наиболее приоритетным областям знаний наряду с информационными технологиями и биотехнологией.

Специальность находится на стыке многих дисциплин и умения изучать, анализировать и делать выводы. Чтобы уметь определять свойства материалов и создавать новые, с заранее заданными свойствами, студенты изучают широкий спектр дисциплин. Прежде всего специалисты должны знать физику, химию, термодинамику. Чтобы уметь прогнозировать целесообразность производства и использования материалов, они изучают основы экономики. Для успешной реализации в профессии потребуется: проводить эксперименты для оценки материалов, отбирать материалы, наиболее подходящие для конкретных целей, разрабатывать технологии производства новых материалов, моделировать и прогнозировать поведение деталей и узлов в различных условиях, участвовать в выборе и оценке потенциальных поставщиков компании, вести техническую документацию. Помимо этого, выпускники должны: знать правила безопасности и охраны труда на производстве, знать правила сертификации, уметь организовать рабочее место и провести диагностику оборудования. Все это требует аккуратности и ответственности. Им необходимо следить за всеми современными достижениями в отрасли, знать основы менеджмента.

Востребованность специалистов в области материаловедения очень высока во всем мире. В России в настоящее время уделяется огромное значение материалам и технологиям мирового уровня. Этому, в том числе, способствовали международные санкции, которые ограничили доступность передовых материалов и технологий. В январе пред. правительства М. Мишустин подписал постановление о создании научно-технологического центра «Композитная долина» в Тульской области при партнёрстве «Росатом» с полным технологическим циклом от постановки, разработки задачи до ее реализации.

Специалистов готовят многие вузы страны: МГТУ им. Н. Э. Баумана, МИСиС, технические ВУЗы Санкт Петербурга, Воронежа, Пензы, Томска и др. Факультеты подготовки связаны с новыми материалами, традиционными и высокотехнологичными технологиями. В качестве испытаний абитуриенты сдают математику, физику и русский язык. Поступление осуществляется по результатам ЕГЭ.

Отличную материаловедческую базу имеет ВолгГТУ - один из региональных опорных университетов России. Факультет технологии конструкционных материалов является одним из старейших в университете. В настоящее время ведется подготовка дипломированных бакалавров и магистров 4-мя кафедрами: «Материаловедение и композиционные материалы», «Машины и технология литейного производства», «Оборудование и технология сварочного производства», «Технология материалов».

Кафедра «Технология материалов». Направление научных исследований: разработка новых технологий получения высококачественного металла для крупных слитков и технологии ковки крупногабаритных заготовок. Направление подготовки: «Металлургия»

Профили: Металловедение и термическая обработка металлов; Обработка металлов давлением; Трубное производство.

Кафедра «Машины и технология литейного производства». Направление научных исследований: получение качественных отливок с повышенными механическими свойствами; разработка новых технологических процессов литья. Направления подготовки: «Металлургия» и «Машиностроение»

Профили: Литейное производство черных и цветных металлов, Технология художественной обработки материалов, Машины и технология литейного производства, Художественное литье (специализация)

Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства». Направление научных исследований: получение металлических композиционных материалов сваркой взрывом; сварка в защитных газах; износостойкая наплавка.

Направление подготовки: «Машиностроение»

Профиль: Оборудование и технология сварочного производства», Сварка в нефтехимическом и энергетическом машиностроении

Кафедра «Материаловедение и композиционные материалы». Направление научных исследований: создание интерметаллидных, металлополимерных, полимер-полимерных и металлокерамических композитов с уникальными служебными свойствами.

Направление подготовки: «Материаловедение и технологии материалов»

Профили: Конструирование и производство изделий из композиционных материалов, Материаловедение и технологии наноматериалов и наносистем

Преподаватели и студенты ФТКМ принимают активное участие в разработке новых материалов и технологий. Новое современное оборудование мирового уровня, навыки сотрудников, умелое руководство студентами обеспечивает достойный уровень научным разработкам коллектива. Ведутся исследования при финансировании грантов РНФ, РФФИ, Администрации Волгоградской области, по заказам ведущих предприятий страны, реализуется экспертная оценка материалов различного назначения.

Вот некоторые из разработок за последние 3 года:

По заданию «НПО СПЛАВ-Ти» (г. Волгоград) разработана уникальная технология термообработки титановых материалов, обеспечивающая им сверхпластичность и позволяющая производить заклепки для фюзеляжа самолетов безотходным методом холодной высадки. Существующие альтернативные технологии во всем мире весьма затратны, так как при механической обработке до 50 % металла составляют отходы в виде стружки.

Ряд работ были выполнены для российской алюминиевой компании «Русал». 1. Отработана технология термической обработки длинномерных слитков длиной 8-11 метров с целью повышения пластичности. 2. На предназначенных для экспорта цилиндрических алюминиевых слитках определены причины образования «белого налета», вызывающие в процессе транспортировки интенсивную коррозию и методы борьбы с нею. 3. Проведен контроль качества протекторных сплавов к алюминиевым трубам для подводных нефтепроводов и газопроводов.

Для АО «Волжский трубный завод» 1. Проведено моделирование процессов получения сварных труб диаметром 1000-1400 мм для повышения точности, улучшения геометрии трубы. 2. Проведено моделирование с целью оптимизации геометрии зубьев дисковых пил для резания горячего проката.

Для ОАО «Северсталь-Метиз» проведено моделирование кругового деформирования канатов, сталеалюминевых проводов, газозащитных тросов.

Проводятся различные исследования по диагностике и экспертной оценке материалов. Например, по заказу ООО «Концессии теплоснабжения» (г. Волгоград) проведена экспертиза качества многослойных труб для теплоцентрали.

В научных исследованиях, экспертных работах активное участие принимают студенты ФТКМ и других факультетов, что подтверждается совместными публикациями. За последние 5 лет студентами совместно с руководителями получено: 23 патента, опубликовано 86 тезисов и 34 статьи в центральной печати, сделано около 100 докладов на конференциях различного уровня, что повышает компетенции будущих выпускников, прививает инженерные навыки.

Выпускники ВолгГТУ востребованы и работают в крупных компаниях не только Волгоградской области, но и России, ближнего и дальнего зарубежья.

Основные предприятия Волгограда: ОАО «СУАЛ филиал ВгАЗ-СУАЛ», ООО «ЛУКОЙЛ — Волгограднефтепереработка», ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование», ОАО «Волгограднефтемаш», АО «ЦКБ «Титан», ОАО «Нефтезаводмонтаж», АО «ВМК «Красный Октябрь», ОАО «Волжский трубный завод», ОАО «ТК «Нефтехимгаз», ОАО «Экспертиза», ООО «Волгограднефтепроект», ОАО «Каустик», ООО «Константа-2» и многих других. 

Полезные ссылки 

1. https://postnauka.ru/longreads/101209
2. Вишнякова Е.В. / История развития конструкционных материалов// Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование» № 1, 2016г – с. 49-60. https://cyberleninka.ru/article/n/istoriya-razvitiya-konstruktsionnyh-materialov
3. Зборщик А.М. /Новые материалы в металлургии// [Электронный ресурс] https://steeltimes.ru/books/allmet/newmaterialinmetallurgy/11/11.php
4. Интернет материалы Журнал «Механика композиционных материалов и конструкций» [Электронный ресурс] http://mkmk.ras.ru/
5. Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов// [Электронный ресурс] https://viam.ru/
6. Интернет материалы ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей»// [Электронный ресурс] http://www.crism-prometey.ru/
7.  Ейбин В. Материал для победы [Электронный ресурс]  https://expert.ru/expert/2021/09/material-dlya-pobedy/
8. Кувалдин С./Краткая история вооружения// [Электронный ресурс] https://arzamas.academy/materials/925
9. Редкие металлы в электронике и электроэнергетике// [Электронный ресурс] http://electrik.info/main/fakty/1026-redkie-metally-v-elektronike-i-elektroenergetike.html
10. Редкие металлы - будущее новой техники //[Электронный ресурс] https://www.nkj.ru/archive/articles/9396/
11. Михайлин, Ю.А. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен / Ю.А. Михайлин// Полимерные материалы - 2003. - № 7. - С. 16-19.
12. Применение алюминия//[Электронный ресурс] https://aluminiumleader.ru/application/transport/
13. Гусев А.И. Нанометриалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев,−М: Физматлит, 2011. – 414с
14. https://www.kvarto.ru/redkozemelnye-metally/
15. http://nplit.ru/  Библиотека юного исследователя
16. Энциклопедия КРУГОСВЕТ [Электронный ресурс] https://www.krugosvet.ru/enc/tehnologiya-i-promyshlennost/keramika-promyshlennaya
17. https://vuzopedia.ru/spec/63
18. https://ru.wikipedia.org/wiki

 _______________
*Лекция разработана по заказу АНО «Волгоградский центр международного гуманитарного сотрудничества» в рамках проекта «Будущие лидеры технологий XXII века», реализованного в феврале-октябре 2021 года с использованием гранта Президента Российской Федерации, предоставленного Фондом президентских грантов. Автор: Агафонова Галина Викторовна, к.т.н., доцент кафедры «Материаловедение и композиционные материалы» Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ). г. Волгоград, 2021 г.