Перспективы и сценарии развития новых материалов в рамках направления «Технет» НТИ в 2023 году

Экспертно-аналитический доклад "Перспективы и сценарии развития новых материалов в рамках направления «Технет» НТИ в 2023 году". 

Подготовлен Инфраструктурным центром «Технет» (передовые производственные технологии) Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

Компания J’son & Partners Consulting публикует данный материал с согласия авторов.

В рамках своей деятельности Инфраструктурный центр «Технет» СПбПУ планирует проведение экспертно-аналитических исследований, сосредоточенных на передовых производственных технологиях, в частности на новых материалах. На протяжении последних двух десятилетий новые материалы рассматриваются как одно из ключевых направлений, способствующих инновационному и технологическому прогрессу в промышленности.

Многие страны мира реализуют государственные программы, направленные на поддержку новых материалов. Особенно известными стали такие инициативы, как Межведомственная инициатива «Геном материалов» в США и Стратегия развития композиционных материалов в Великобритании. 

В России разработка и внедрение новых материалов поддерживаются в рамках государственной программы «Научно-технологическое развитие Российской Федерации», дорожной карты по развитию высокотехнологичного направления «Технологии новых материалов и веществ», а также Комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Новые композиционные материалы: технологии конструирования и производства». 

Среди наиболее значимых документов следует отметить Указ Президента Российской Федерации от 18 июня 2024 года № 529, который утверждает приоритетные направления научно-технологического развития и перечень важнейших наукоемких технологий, включая технологии создания новых материалов с заданными свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Тематика данного доклада сосредоточена на термопластичных полимерных композиционных материалах (ТПКМ), которые благодаря своим свойствам, таким как соотношение модуля Юнга и плотности, прочности и плотности, а также удельной жесткости и удельной прочности, могут рассматриваться как приоритетное направление развития.

Это соответствует общему тренду на увеличение применения композиционных материалов в высокотехнологичных отраслях промышленности. Термопластичные композиционные материалы представляют собой композиционные материалы, в которых основа (матрица) состоит из конструкционных и суперконструкционных термопластичных полимеров, способных многократно размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении в определенном температурном интервале. Эти материалы сочетаются с различными армирующими наполнителями и добавками, что позволяет создать универсальный материал, соответствующий конкретным требованиям. При нагреве термопластичные композиционные материалы становятся гибкими и эластичными, что позволяет изменять их форму и повторно использовать после переработки без потери свойств. К их преимуществам относятся устойчивость к коррозии, износостойкость, прочность, короткий цикл формования и ряд других качеств.

Устойчивость термопластов к ударным нагрузкам и локальным повреждениям на 20–40% выше, чем у реактопластичных композиционных материалов, в то время как термопластичные препреги имеют неограниченный срок хранения, а коэффициент использования материала может достигать 95%. Эти материалы находят широкое применение в таких областях, как автомобилестроение, авиастроение, двигателестроение, а также в создании ракетно-космической техники и в ряде других отраслей промышленности.

Основой для подготовки данного доклада стал опыт и знания инженеров структурных подразделений Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, которые вместе с Инфраструктурным центром «Технет» составляют основу Экосистемы технологического развития СПбПУ. Созданная экосистема позволяет реализовывать различные НИОКТР в области исследования материалов, включая термопластичные композиционные материалы и конструкции из них, а также разработку технологий и инноваций в материаловедении и применение материалов при создании изделий высокотехнологичной промышленности совместно с индустриальными партнерами СПбПУ.

Специалисты Инжинирингового центра СПбПУ и других подразделений Экосистемы технологического развития СПбПУ на протяжении более 20 лет реализуют проекты, связанные с численным моделированием и проведением расчетов для всех этапов жизненного цикла изделий из композиционных материалов по заказам ведущих компаний. У них есть успешный опыт выполнения расчетов, касающихся процесса изготовления, анализа прочности, устойчивости, разрушения и динамического поведения конструкций из композиционных материалов.

Среди актуальных проектов, реализуемых специалистами Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», можно выделить проекты по созданию промышленной технологии производства композита из непрерывного углеволокна для 3D-печати, а также проект, направленный на разработку цифровых двойников материалов для проектирования конструкций и формирования базы данных характеристик различных материалов и конструкций, включая композиционные материалы.

Экспертно-аналитический доклад состоит из пяти глав, каждая из которых рассматривает различные аспекты развития рынков термопластичных композиционных материалов, композиционных материалов или новых материалов. В некоторых разделах анализируются более крупные рынки композиционных или новых материалов, поскольку в ходе исследования было выявлено, что по ряду аспектов развития термопластичных композиционных материалов отсутствует надежная и достоверная информация (например, это касается государственного регулирования или нормативно-технического ландшафта, где ТПКМ не выделяются отдельно).

В первой главе доклада представлен анализ рынков новых материалов, передовых композиционных материалов (advanced composites) и термопластичных полимерных композиционных материалов. Здесь также проведен анализ географической и отраслевой сегментации, а также оценка стадии зрелости рынков.

Во второй главе доклада акцент сделан на барьеры и риски развития рынка новых материалов, представлены результаты обзора основных направлений мировых и отечественных государственных программ поддержки научных исследований и разработок в данной области, а также представлен национальный и международный нормативно-технический ландшафт.

Третья глава посвящена более чем 90 ключевым игрокам как отечественного, так и зарубежного рынков, а также проектам, реализуемым в области термопластичных композиционных материалов. В этой главе проведен анализ бизнес-моделей основных игроков и сформирована цепочка создания стоимости для термопластичных композиционных материалов. Также представлены новые проекты, реализуемые на рынке новых материалов, включая проекты, связанные с государственными инициативами и кооперацией бизнеса с научно-исследовательскими институтами, а также выделены причины закрытия неудавшихся проектов и реструктуризации деятельности в сфере новых материалов.

В перечень стран, проанализированных в ходе исследования рынка и нормативно-правового регулирования, вошли США, Япония, страны Европейского союза и ряд стран, входящих в межгосударственное объединение БРИКС, в частности Россия, Китай и Индия.

Четвертая глава доклада содержит обзор основных технологий и разработок в области термопластичных композиционных.