"Контракт - на более 20 млн долларов!". Эти разработки НПЦ НАН Беларуси по материаловедению не имеют аналогов
Разработки НПЦ НАН Беларуси по материаловедению не имеют аналогов по целому ряду параметров
Во многих сферах промышленности требуются материалы, детали и покрытия, ранее не применявшиеся. Так, разработчики космических аппаратов и дронов стараются минимизировать вес комплектующих, электронным компонентам требуется защита от электромагнитного и космического излучения, нефтяники нуждаются в доступных веществах для абсорбции нефтепродуктов… В этих и многих других случаях на помощь приходят белорусские ученые.
Качество на первом месте
- За более чем двадцать лет, что я руковожу Научно-практическим центром, не было ни одного случая, чтобы мы не выполнили поручение или заказ на разработку, - подчеркивает генеральный директор НПЦ НАН Беларуси по материаловедению доктор физико-математических наук, член-корреспондент НАН Беларуси Валерий Федосюк. - Всегда выполняли и перевыполняли доведенные нам показатели. Сейчас идет пятилетка качества, и мы работаем над его повышением.
В этом году Центр занесли на Доску почета НАН Беларуси. Значительную роль сыграл заключенный в 2024 году уникальный контракт с российской стороной на более чем 20 млн долларов со стопроцентной предоплатой. Он связан с разработкой технологии экранирования электронной техники в условиях космоса. В истории НАН Беларуси подобных контрактов не было.
- Это очень серьезное и объемное исследование, но главное, что мы все сделали с опережением графика. По тому же направлению сегодня работаем с ОАО "Пеленг", ОАО "Интеграл" и другими отечественными и зарубежными предприятиями, - отмечает Валерий Федосюк.
Спектр исследований, проводимых НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, впечатляет. Здесь ведется разработка материалов на основе графена, в том числе абсорберов нефтепродуктов. На основе постлитиевых технологий созданы накопители энергии - суперконденсаторы и натрий-ионные аккумуляторы. Ученые выращивают оптические монокристаллы для генерации лазерного излучения. На протяжении многих лет Центр поставляет ряду российских предприятий электронную керамику для систем навигации и связи, которая успешно зарекомендовала себя по соотношению цена-качество. Среди разработок - магнитные и сверхтвердые материалы.
- Еще при СССР институт - предшественник нашего Центра стал одним из мировых лидеров, сумевших получить в лабораторных условиях синтетические алмазы и кубический нитрид бора, также относящийся к категории сверхтвердых материалов. Нитрид бора превосходит алмаз в том, что не горит при высоких температурах и может использоваться при обработке чугунов, - рассказывает Валерий Федосюк.
Собеседник отмечает, что наша страна в год импортирует сверхтвердых материалов и инструмента с ними на 3 млн долларов:
- Мы планируем полностью заместить данный вид импорта. Для этого закуплен огромный 6-пуансонный пресс, который позволяет за одно пресс-спекание производить 200 карат сверхтвердого материала, что примерно в 100 раз больше, чем можно изготовить на оборудовании, использовавшемся до сих пор.
На пути к Солнцу
Совместная межпланетная миссия по исследованию Меркурия "Бепи Коломбо" стартовала в октябре 2018 года. Через полтора года спутник должен выйти на орбиту ближайшей к Солнцу планеты. Однако близость к светилу представляет серьезную опасность для электроники - космическое излучение легко может вывести ее из строя. Кроме того, необходимо обеспечить слаженную работу оборудования на борту, так называемую электромагнитную совместимость. Поэтому электронное оборудование миссии защищено покрытием, разработанным учеными Центра. Его уникальное преимущество не только в надежности, но и в компактности. Фактически вес тончайшей многослойной защиты измеряется граммами.
Нам показывают святая святых процесса нанесения многослойных покрытий - производственный участок с замкнутым циклом. Здесь установлены ванны с бурлящими химическими растворами. В них загружаются рамы с коробами, на которых поочередно оседают защитные слои.
- У нас организовано опытное производство с использованием гальваники, или электролитического осаждения, - поясняет ведущий научный сотрудник лаборатории физики магнитных пленок Татьяна Зубарь. - Именно так изготавливаются электромагнитные экраны для защиты человека и оборудования от электромагнитного излучения.
Простейший пример паразитного влияния электромагнитного излучения - помехи в колонках во время звонка смартфона. В последние годы вокруг нас все больше источников излучения: электромобили, умные дома, роутеры… И это на Земле, а в космосе все иначе: от космической радиации не убежишь.
Обычно излучающее оборудование или устройство, которое необходимо защитить, находится в корпусе. На него и наносится электромагнитный экран, состоящий из большого количества чередующихся слоев с различными химическими составами и структурой. Их, как правило, от одного до сотни. Все зависит от конкретной задачи, которую требуется решить, а универсальных решений попросту нет. Иногда покрытие наносится как капля компаунда, полимерного материала, или в виде небольшой крышечки, защищающей одну микросхему. Оно может стоить условные три доллара, но на орбите продлит срок службы устройства в 5-20 раз.
- Защитные экраны на борту "Бепи Коломбо" - самый яркий пример, но только один из многих, - отмечает Татьяна Зубарь. - Мы выполняем огромное число заказов. Часто и сами не знаем, какое оборудование будет стоять в защитных коробках, но обеспечиваем их безопасность по всем требуемым параметрам. Так, в космосе в основном нужна защита от протонов, на Земле - от высоко- и низкочастотного электромагнитного излучения.
Сколько стоит нанести покрытие на одну коробочку?
- Сложный вопрос, - задумывается Татьяна Зубарь. - Будем ли мы учитывать 30 лет напряженного труда, вложенного в разработки? Если нет, то гальваническая технология осаждения - одна из самых экономичных. Ценность не в стоимости тоненькой пленки металла, а в проведенных сложных экспериментах, математическом и физическом моделировании, точном расчете. Главное - знать, какой химический состав, какими слоями и в какой последовательности наносить. Поэтому полторы сотни коробочек и стоят миллионы.
"Родственники" глиняных кувшинов
В лаборатории электронной керамики также организован производственный участок.
- Мы занимаемся изоляционной керамикой, которая может держать высокое напряжение под нестандартную геометрию, - рассказывает научный сотрудник лаборатории Татьяна Петроченко. - Например, керамикой для антенных излучателей в сетях 4G и 5G. Технология очень востребованная.
У разрабатываемых материалов широчайший функционал. Простейший пример - пьезозажигалка, в которой при механическом сдавливании электрический заряд распределяется по противоположным сторонам элемента. Пьезодатчики используются во многих сферах, в том числе в автомобильной технике, приборостроении, бытовой электронике.
- Основное направление работы нашей лаборатории - создание новых керамических материалов и технологий их изготовления, - отмечает Татьяна Петроченко. - Мы разработали широкий спектр керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, высокой добротностью и термостабильностью в широком диапазоне температур от -60 до +120 градусов Цельсия.
В разработках используют препараты на основе оксидов алюминия, станнатов кальция и алюмосиликатов бария. Так, из них изготавливают керамические корпуса для фильтров, работающих в диапазоне частот от 0,5 до 20 ГГц. Они используются как конструкционные элементы в узлах СВЧ-техники, навигационных и других устройствах.
- Еще одно серьезное направление нашей работы - изготовление пьезокерамики на основе цирконат-титаната свинца. Изделия имеют различную конфигурацию в зависимости от предназначения - от плоских дисков до полусфер, которые применяются в медицинской технике, различных сенсорах и датчиках, - подчеркивает Татьяна Петроченко. - Особым спросом пользуются материалы, из которых производится керамика для пьезокерамических фильтров в различных электротехнических устройствах. Она обладает радиопрозрачностью в широком диапазоне частот, характеризуется высокой механической прочностью.
Чудеса радиации
В НПЦ НАН Беларуси по материаловедению установлен линейный ускоритель электронов УЭЛ-10-20С. Он, в частности, используется для тестинга материалов собственного производства, чтобы продемонстрировать заказчику возможности электромагнитной защиты.
- Но основная работа идет по контрактам с ОАО "Интеграл" и ОАО "Пеленг" по тестированию их компонентной базы, - рассказывает Александр Желудкевич. - У них критически важные направления. Одно из них - космическое. Мы можем как испытывать электронную начинку для космических аппаратов, так и подбирать материалы для экранирования излучений. Спутник стоит миллионы долларов. Если на орбите с ним что-то случится - деньги выброшены на ветер. Все моменты дешевле и проще просчитать на Земле.
Еще один тип установок в Центре - ускоритель электронов от 1 до 10 мегаэлектронвольт, который меняет полупроводниковые свойства материалов под требуемые заказчику параметры, в том числе проводимость. Также с помощью ускорителя электронов можно обеззараживать медицинские изделия прямо в упаковке, не вскрывая ее. Пучок электронов убивает всю "биологию". Есть совместные с растениеводами разработки - гамма-установка позволяет управлять даже биологическими процессами, например прорастанием растений или уничтожением грибков.
В свою очередь установка с гамма-излучением, работающая на постоянном источнике кобальт-60 с периодом полураспада в пять лет, дает жесткое гамма-излучение, которое позволяет как модифицировать материалы, чтобы придать им новые свойства, так и проводить испытания.
- Так, для ОАО "Интеграл" мы облучаем кремниевые пластины, из которых потом "нарезают" чипы. Изменяем полупроводниковые свойства материала под требуемые параметры. В год мы обрабатываем порядка тысячи пластин, в свою очередь состоящих из тысяч кристаллов, - выгода очевидна, - подчеркивает собеседник.
Уменьшить вес двигателей
Лабораторией физики магнитных материалов заведует кандидат физико-математических наук, доцент Александр Желудкевич. Он же руководит отделом электротехнического и радиационного материаловедения.
- Одно из направлений нашей работы - создание магнитомягких композиционных материалов, - поясняет собеседник. - Это порошки, которые можно прессовать методами порошковой металлургии, создавая различные электротехнические устройства, магнитопроводы. Они позволяют заменить электротехническую сталь на порошковый сердечник.
В старых трансформаторах для этих целей использовались наборные пластины из стали в виде буквы "Ш". Но такая технология вызывала магнитные потери, нагревы, отказы в работе на высоких частотах. Устройства получались массивными и громоздкими.
- Наш материал позволяет работать на частотах до десятков кГц. Используя его, можно получать гораздо большую мощность. Он меньше греется и компактнее по своим размерам, - перечисляет Александр Желудкевич. - Так, наши киловаттные двигатели весят по 720 граммов. Они особо востребованы предприятиями, производящими продукцию с критическим ограничением по массе. Например, беспилотники, у которых каждый килограмм - это потеря в дальности полета. Есть разработки для грузового электротранспорта, где используются стокиловаттные двигатели.
Разрабатывается в лаборатории и направление жестких постоянных магнитов, для создания которых требуются редкоземельные металлы. Один из знаковых результатов разработок - создание мягких и жестких магнитно-композиционных материалов. Со слабым или сильным магнитным полем.
- Магниты с редкоземельными металлами очень мощные, что позволяет их миниатюризировать, снизить массогабаритные размеры двигателей. Мы часто используем такие металлы в различных материалах и имеем достаточно широкие компетенции в их разработке, - отмечает собеседник. - Они также применяются как добавки в оптических кристаллах, для генерации лазерного излучения, в магнитных материалах, в радиофизике и радиомедицине.
Есть подвижки и с аккумуляторами. Сегодня в производстве аккумуляторных батарей практически повсеместно используется литий. Цены на него не только высоки, но и подвержены значительным колебаниям. В свою очередь, натрий - дешевый металл, который широко распространен.
- На его основе мы создали и протестировали на оборудовании Объединенного института машиностроения НАН Беларуси натрий-ионную батарею для отечественных электромобилей, - поясняет Александр Желудкевич. - Да, примерно на 20% она отстает от литиевых аналогов по емкостным характеристикам, зато выдерживает большее число циклов зарядки, стабильно работает в более широком интервале температур. Исследования по этой тематике продолжаются.
Недавно в НПЦ НАН Беларуси по материаловедению установлен промышленный ускоритель ЭЛВ-8. Эта установка размером в несколько этажей выдает пучок электронов мощностью 1-2,5 МэВ. Прошивает материю ионизирующим излучением, что позволяет модифицировать ее под поставленную задачу.
В НПЦ НАН Беларуси по материаловедению исследуются и создаются тысячи материалов: магнитных, электрических, графенподобных, сверхтвердых, ювелирных, ударо- и жаропрочных.
Сегодня в состав ГО "НПЦ НАН Беларуси по материаловедению" входят шесть научно-исследовательских институтов и два предприятия. Одно из них - УП "Феррит" - единственный производитель в Беларуси промышленного оборудования магнитной сепарации на основе постоянных магнитов. В свою очередь УП "ЭЛКЕРМ" разрабатывает и изготавливает оборудование по водоочистке и водоотведению.
Алексей ГОРБУНОВ, фото Надежды КОСТЕЦКОЙ
