Сверхпрочный и сверхпроводящий

Новый материал с прочностью стали и проводимостью меди дает отечественному бизнесу возможность получить конкурентные преимущества в электротехнике и машиностроении.

Горе электротехников: традиционные материалы, обладающие высокой электропроводностью, такие как медь и алюминий, слишком мягкие. Поэтому, проводя токи большой величины, они не выдерживают "наведенных" этими токами механических нагрузок. Над задачей повысить прочность медных проводников металлофизики всего мира бились давно: создавали сплавы с различными легирующими добавками, вводили в медь мелкодисперсные частицы твердых материалов, даже пытались комбинировать медь с полимерами. Но эти усилия приводили к тому, что медь переставала быть собственно проводником - упрочняющие элементы "убивали" ее электропроводящие свойства. Создать материал, в котором высокая электропроводность уживается с высокой прочностью, удалось специалистам Всероссийского НИИ неорганических материалов имени А. А. Бочвара - крупнейшего научного центра бывшего Минатома, где получено подавляющее большинство всех материалов и сплавов, применяемых в ядерном оружии и атомной энергетике.

Изготовленные из нового композита провода уже активно используют в своих исследованиях ведущие научные центры мира и достигают с их помощью выдающихся результатов. В России же о прорывной разработке своих ученых широкая общественность узнала только в этом году - благодаря Конкурсу русских инноваций, на котором проект Бочваровского института стал победителем в номинации "Лучший инновационный проект" и получил специальную премию от ОАО "Техснабэкспорт". Сразу после этого несколько промышленных компаний проявили интерес к разработке. Можно ожидать, что появление проводов с высокой прочностью и электропроводностью позволит электротехнике совершить качественный скачок в своем развитии, а также откроет принципиально новые возможности для машиностроения, для создания новых конструкционных материалов и для ряда других областей индустрии.

 Потомок сверхпроводника

Своим рождением эта разработка обязана академику Валерию Легасову, заместителю директора Института атомной энергии имени Курчатова, погасившему чернобыльский реактор, - именно он подключил Бочваровский институт к решению вечной проблемы упрочнения меди. Было это в середине 80-х, когда Курчатник начал развивать новое направление - импульсные магниты, способные создавать магнитные поля сверхвысокой напряженности (более 60 Тл). Обычные медные проводники для обмоток таких магнитов не годились, поскольку не выдерживали гигантских разрывных сил, порожденных токами большой силы (до 100 000 А), которые нужно было по ним пропускать. Требовалось невозможное - медь, обладающая прочностью стали. И сотрудники Курчатника решили поэкспериментировать: сделали обмотки магнитов из сверхпроводников, предназначенных совершенно для другой области - для токамаков, установок для термоядерного синтеза, где были задействованы сверхнизкие температуры. При этом ученые руководствовались рядом соображений. Сверхпроводник представляет собой медную матрицу, пронизанную десятками тысяч тончайших жилок из сплава ниобия и титана. По этим жилкам при температуре -269 шС и течет ток. Физики предположили, что при обычной температуре жилки будут служить упрочняющими элементами. Так команда академика Легасова нащупала путь, который через десять лет вывел другую команду к блестящему результату.

После первого эксперимента курчатовцы обратились к создателям сверхпроводников, в институт имени Бочвара, с просьбой "модернизировать" сверхпроводник под новую задачу. Ученых Бочваровского института задачка зацепила: "Ключевые сотрудники нашей лаборатории являются учениками Андрея Бочвара, металловеда с мировым именем, основателя сильной отечественной научной школы. Поэтому мы чувствовали, что сможем сделать в этой области что-то существенное", - вспоминает Александр Шиков, заместитель гендиректора ВНИИНМ имени Бочвара. Бочваровцы пошли по пути, подсказанному коллегами из Курчатника: позаимствовали конструкцию и технологию изготовления у сверхпроводника.

Проведя тысячи экспериментов, ученые подобрали такое соотношение компонентов композита и такие параметры технологического процесса, что получившийся в результате материал имел поистине прорывные характеристики. Когда первые образцы новых проводников, внешне ничем не отличавшихся от обычных медных, отдали в испытательную лабораторию, чтобы измерить механические свойства, ответ пришел такой: "У нас испытательная машина барахлит: испытываем медь, а она показывает прочность, как будто это сталь". Прочность последних, самых совершенных образцов достигает 1600 МПа, что в пять раз превышает прочность чистой меди, а электропроводность при этом сохраняется на уровне 70-80% электропроводности чистой меди. Все проводники, присутствующие сегодня на рынке, по своим характеристикам намного уступают бочваровским суперпроводам - этот факт официально признала американская Национальная лаборатория высоких магнитных полей, проводившая их сравнительный анализ. И самые прочные провода, которые сегодня умеет делать мировая промышленность (так называемые сложнолегированные бронзы), при прочности 1000 МПа обладают электропроводностью на уровне всего 30% электропроводности чистой меди.

Такой огромный отрыв от традиционных материалов позволяет считать созданный в Бочваровском институте композит материалом нового поколения. До сих пор упрочняющие добавки присутствовали в меди в виде элементов микронных размеров, в бочваровском же композите в медь введены ниобиевые наноструктуры. Это длинные ленточки толщиной менее 10 нм. В проводе сечением 2 х 3 мм таких ленточек 450 миллионов. Переплетаясь между собой в массиве меди, они препятствуют перемещению дефектов в кристаллической решетке, тем самым и обеспечивается прочность. При этом ленточки практически не препятствуют свободному перемещению электронов, а значит, не ухудшают проводящие свойства меди. "В области наноразмеров перестают работать многие классические закономерности, - говорит Виктор Панцырный, заместитель директора отделения технологии перспективных материалов. - Так, при добавлении к чистой меди прочностью триста пятьдесят мегапаскалей двадцатипроцентной доли ниобия прочностью тысяча двести мегапаскалей прочность композита должна была бы составлять шестьсот мегапаскалей, в реальности же мы получили тысячу".

 Производство "с колес"

Создавать "прочную медь", взяв за образец конструкцию сверхпроводника, пытались не только в институте имени Бочвара. В конце 80-х - начале 90-х по этому пути пошли и западные фирмы, имевшие наработки по сверхпроводникам, в частности американская компания Supercon и японские Showa и Furukawa Electric. Однако определить то единственное соотношение компонентов композита и параметры технологических процессов, при которых максимально возможная прочность "пересекается" с максимально возможной проводимостью, удалось только российским ученым.

Первая составляющая нашего успеха в том, что советская система организации науки позволяла "прикладникам" вести исследования с присущими фундаментальной науке широтой и глубиной охвата темы. СССР был признанным лидером в области сверхпроводников, разработкой и изготовлением которых занимался как раз Бочваровский институт. Когда возникла потребность в новом материале, бочваровцы применили наработанный по сверхпроводникам солидный задел - знания, опыт и уникальные технологии для решения задачи из другой области, и в итоге снова оказались мировыми лидерами.

Вторая составляющая успеха - опытно-экспериментальная база, которая почти ничем не отличается от реального промышленного производства: вместо лабораторных установок на территории Бочваровского института работают два цеха с мощными прессами, большими плавильными печами и другим промышленным оборудованием. Такая оснащенность - наследство эпохи жесткого соперничества СССР и США в области создания ядерного оружия: тогда разработанные в институте технологии получения новых материалов и сплавов необходимо было передавать на предприятия отрасли в кратчайшие сроки, и наличие у ученых-разработчиков промышленного оборудования позволяло делать это практически "с колес".

Теперь эта близость к промышленности стала преимуществом института, поскольку позволяет существенно удешевить и ускорить продвижение новых разработок на рынок. Так, важнейший плюс новых суперпроводов в том, что доводить технологию их изготовления до промышленной стадии не требуется, ведь технология, созданная учеными, и есть полноценная промышленная, а не лабораторная, "пробирочная". "Я объехал почти сорок стран мира и видел очень мало мест, где, как в нашем институте, есть вся цепочка: от глубоких, почти фундаментальных исследований до разработки технологических процессов промышленного производства готовых продуктов", - подчеркивает Александр Шиков.

 Рекорды на русских проводах

В отличие от всех доселе разработанных в Бочваровском институте материалов новые суперпровода нашли себе применение в первую очередь не на родине, а за рубежом. К середине 90-х, когда разработку можно было считать завершенной, в России новые провода уже никому не понадобились. Зато они оказались востребованы в ведущих странах мира. И не просто востребованы: Бочваровский институт стал ключевым участником перспективного направления мирового НТП - создания магнитных полей сверхвысокой напряженности. В таком поле существенно повышается точность и информативность спектрометрических методов изучения структуры различных объектов, что должно позволить человечеству заметно продвинуться в расшифровке структуры генома человека, важнейших ДНК и белков, а также усовершенствовать полупроводниковую технику.

Сегодня магнитные системы с обмотками из российских суперпроводов работают в США, Бельгии, Германии, Великобритании и даже в Польше и Литве. Между этими странами развернулась настоящая гонка. Пока лидируют американцы. "Последнее сообщение мы получили от коллег из американской Национальной лаборатории высоких магнитных полей в начале июля. Им удалось создать магнитное поле напряженностью семьдесят пять тесла, - говорит Александр Шиков. - Сейчас идет подготовка к испытанию магнитной системы на восемьдесят тесла, следующим шагом станет сто тесла. Это будет очень важное достижение".

Реальных конкурентов у бочваровских проводов на сегодняшний день нет. Все аналоги, созданные в других странах, существенно уступают российским. Вот цитата из отчета руководителя одной из зарубежных лабораторий: "Последние образцы проводов из института Бочвара намного превосходят наши требования, тогда как проводники других фирм работать в магнитных системах не способны. Их материалы раскалываются, как стекло..." Есть у бочваровских проводов и еще одно достоинство - стоят они в среднем в полтора раза дешевле ближайших аналогов, так что Россия может претендовать на весь научный сегмент мирового рынка таких проводников, который, кстати, скоро достигнет отметки 10 млн долларов. 

 Шестьдесят долларов за килограмм

В России, где национальной научной программы по магнитным полям сверхвысокой напряженности нет, новая разработка может пойти сразу в реальный сектор - тут бочваровские провода обеспечат качественно новые возможности сразу в нескольких областях. В первую очередь это касается машиностроения. Здесь изготовление индукторов с использованием новых проводов существенно повысит эффективность таких технологий, как магнитоимпульсная штамповка, применяемая для изготовления деталей сложной формы, и магнитоимпульсная сварка, используемая для соединения разнородных материалов, которые нельзя сварить традиционным способом. Индукторы, изготовленные из новых проводов, будут отличаться более высокими КПД, мощностью и экономичностью, а их ресурс вырастет примерно в десять раз. Объем рынка таких устройств оценивается в 100 млн долларов. Одним из первых в машиностроительной отрасли разработкой института заинтересовался ГКНПЦ имени Хруничева, производитель космической техники.

Вторая перспективная область применения новых проводов - портативные устройства электронной и телекоммуникационной техники: мобильные телефоны, ноутбуки и др. Сейчас процесс дальнейшей миниатюризации подобных изделий застопорился как раз из-за того, что разработчикам требуются все более тонкие провода, но они уже не выдерживают механических нагрузок. "Используемые сейчас провода из сложнолегированных бронз при толщине тридцать микрон теряют способность к многократному изгибу, - говорит Виктор Панцырный. - По нашей же технологии можно делать провода толщиной десять микрон, которые в силу своей более высокой прочности выдержат все нагрузки. Они позволят не только уменьшить вес и габариты портативных изделий, но и увеличить срок их службы". Объем этой ниши рынка оценивается в 12-15 млн долларов.

На этом направлении ученые уже сотрудничают с тульской компанией "Сплав" - единственным в России производителем гибких проводов и кабелей. Туляки намерены изучить перспективы применения научных разработок в этом сегменте рынка электротехники. Дальнейшее партнерство между Бочваровским институтом и компанией "Сплав" для ученых будет означать выход их на многомиллионный рынок, для компании - инновационное конкурентное преимущество.

Третье важное направление - создание новых конструкционных материалов. В этой области высокопрочные проводники позволяют "ввести в эксплуатацию" новый метод плавки - магнитоакустический. Таким методом можно получать конструкционные материалы с принципиально новыми свойствами. Например, пенометаллы, использование которых в технике даст значительное снижение веса конструкций. По оценкам разработчиков, объем этой ниши составляет порядка 25-30 млн долларов.

Помимо перечисленных областей, где будут востребованы особые качества новых проводов - их высокая прочность и проводимость, есть еще массовый рынок электропроводов, который таких исключительных характеристик не требует. На массовом рынке новые суперпровода будут вытеснять прежде всего аналоги из сложнолегированных бронз, которые сегодня занимают верхний сегмент. Разработчики уверены, что ценовую конкуренцию в этом сегменте их провода выдержат: ученые готовы создать модификации, обладающие не столь высокими параметрами. Такие провода с пониженными характеристиками будут стоить уже не 400, как сейчас, а 60-100 долларов за килограмм, то есть столько же, столько традиционные провода из лучших марок электротехнических сплавов. При этом качественное превосходство бочваровских разработок над традиционными будет безоговорочным. "При уровне прочности, близком к прочности сложнолегированных бронз, наши провода будут отличаться вдвое большей проводимостью", - утверждает Виктор Панцырный. По мнению Александра Шикова, новые провода могут с успехом использоваться, в частности, для обустройства скоростных железнодорожных магистралей. В целом же объем верхнего ценового сегмента массового рынка оценивается в 100 млн долларов.

Сегодня быструю коммерциализацию разработки тормозят только два обстоятельства. Первое - права на интеллектуальную собственность принадлежат институту, то есть государству, что может создать дополнительные проблемы при привлечении частных инвесторов. Второе - отсутствие в команде профессиональных менеджера и маркетолога, без которых вывести инновационный продукт на рынок ученым будет непросто.

Автор: Ольга Рубан. Источник: Эксперт

Перейти в раздел: "Электрооборудование. Проектирование"