Ученый ЮУрГУ разрабатывает новые технологии обработки наноматериалов

Доктор технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Механико-технологического факультета Александр Дьяконов стал единственным от Южно-Уральского государственного университета обладателем гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых ученых в 2013 году. Автор проекта рассказал об уникальности этой разработки, а также о преимуществах использования многофункциональных нанокомпозитных материалов.

Композитные или композиционные?

Наш разговор с ученым начался с «ликбеза» по металловедению. По словам Александра Дьяконова до сих пор в машиностроении сохраняется тенденция использования традиционных материалов, таких как сталь, чугун и др. «В их состав входят легирующие элементы, добавляемые в металл для улучшения его конструкционных свойств, – объясняет Александр Анатольевич. – В связи с этим стоимость производства и эксплуатации этих материалов значительно повышается». Изменить ситуацию может использование композитных (композиционных) материалов. Разберемся, что это такое.

Композитные материалы – это искусственно созданные неоднородные материалы, состоящие из двух и более компонентов с четкой границей раздела между ними. Эти компоненты делятся на связующие (матрица) и армирующие (наполнители). Вторые придают прочность и жесткость материалу, а матрица обеспечивает защиту поверхности от механических повреждений и агрессивных химических воздействий. Стоит отметить, что встречаются два понятия: композитные и композиционные материалы. По большому счету, это одно и тоже. Только специалисты, которые занимаются созданием этих материалов, называют их композиционными, а те, кто их обрабатывает – композитными.  

Итак, главное преимущество композиционного материала в том, что при его проектировании инженер сам задает ему характеристики, которые значительно превосходят свойства традиционных материалов. В данном случае разработчик может исходить из требований заказчика материала. Кроме того материал и конструкция из этого материала создаются одновременно.

Но с главным преимуществом неразрывно связан и главный недостаток: композиционные материалы экономичнее и технологичнее, но они требуют особой обработки. Решением этой проблемы занимаются на кафедре «Технология машиностроения» ЮУрГУ. Именно этой теме посвящено научное исследование Александра Дьяконова, на осуществление которого он получил грант Президента РФ. Тема его исследования – «Разработка составов, технологии получения и обработки многослойных конструкционно-функциональных полимерных нанокомпозитов».

«За такими материалами – нанокомпозитами – будущее», – говорит Александр Дьяконов. – Их использование позволит создать новые конструкции с особыми функциональными свойствами и восстановливать изношенные поверхности без их замены, а значит, и без остановки производства. Кроме того, материалы, содержащие в своем составе наноструктуры, позволят значительно сэкономить ресурсы и снизить издержки производства».

Немного об авторе

Все началось в 1999 году, когда Александр Дьяконов с отличием окончил Челябинский политехнический техникум и продолжил обучение на Механико-технологическом факультете ЮУрГУ. В 2005 году, получив степень магистра, он поступил в аспирантуру. В 2006 досрочно защитил кандидатскую диссертацию на тему «Оценка обрабатываемости материалов в процессах шлифования». Молодой ученый неоднократно апробировал результаты своих исследований на конференциях российского и международного уровня, его разработки поддерживались грантами и были отмечены дипломами. Александр Анатольевич – автор 130 научных публикаций, 7 монографий, ряда патентов на изобретения и полезные модели.
Следующий шаг – написание докторской диссертации, на тему «Разработка научно-методической базы повышения эффективности процессов абразивной обработки на основе многофакторной оценки обрабатываемости материалов. В 2013 году Александр Дьяконов стал самым молодым (32 года) доктором технических наук в РФ по специальностям «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» и «Технология машиностроения». Еще один показатель признания его научных разработок – получение гранта Российского Фонда фундаментальных исследований.

За композитными материалами будущее!

На данный момент Александр Дьяконов сотрудничает с Научно-образовательным Центром «Нанокомпозитные материалы и конструкции», который был открыт в ЮУрГУ 31 августа 2013 года. Цель деятельности центра – проведение научных исследований в области полимерных композитных материалов. Сотрудники НОЦа исследуют, как режимы работы оборудования и свойства исходных компонентов влияют на свойства изделий из полимерных композитных материалов. Под научным руководством Сергея Сапожникова осуществляется создание элементов конструкций низкопольных трамваев, автобусов и других видов транспорта, наружная часть которых изготавливается из композитов.

Александр Дьяконов отмечает, что «то, что они создают, это хорошо, но потом это нужно будет еще и обрабатывать. Например, сделали корпус трамвая, нужно вырезать окна, посадочные места, и сделать это так, чтобы не повредить сам материал конструкции. Для этого мы со своей стороны, начинаем разрабатывать метод обработки, который потом будет внедрен в процесс производства».

Еще одно направление применения данной технологии – это восстановление уже поврежденных или изношенных поверхностей. Быстро изнашиваются рабочие валы в конструкциях машиностроения, подшипники скольжения в металлургических станах. Последние, кстати, отличаются большими размерами и изготавливаются всего на нескольких предприятиях в России. Поэтому гораздо экономичнее и рациональнее, говорит Александр Дьяконов, не заказывать новые конструкции, а восстанавливать изношенные поверхности при помощи композитов.

Композиционные материалы применяются также в авиации для высоконагруженных деталей и двигателей самолетов; в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву; в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, бамперов; в горной промышленности и гражданском строительстве. Композитные материалы с неметаллической матрицей используют в судо- и автомобилестроении, из них изготовляют подшипники, панели отопления, части ЭВМ и даже спортивный инвентарь. Таким образом, область применения этих материалов очень широка. А это значит, что в дальнейшем разработанная и научно-обоснованная технология обработки этих материалов будет востребована.

Планы и перспективы

«Сейчас мы хорошо умеем обрабатывать традиционные материалы и теперь выходим на новый уровень – композитные материалы. Область их применения широка, а вот их обработкой в стране занимаются единицы, – признается Александр Дьяконов. – Пока мы плотно сотрудничаем с НОЦ «Нанокомпозитные материалы и конструкции» и проводим  фундаментальное мультидисциплинарное исследование: они хорошо разбираются в материалах, а мы разбираемся в обработке. Также на протяжении нескольких лет мы осуществляем работы совместно с ведущей российской компанией по разработке систем сквозного проектирования «Adem Tehnologics». На 2014 год в планах проведение двух хоздоговорных работ по созданию технологии обработки композитных материалов».

В заключение разговора ученый отметил, что результаты этих исследований будут востребованы в машиностроении, аэрокосмической промышленности, военно-промышленном комплексе. «Наша задача, как ученых, повысить ресурсоэффективность производства, уйти от традиционных подходов. И мы работаем над этим с ориентацией на потенциальные запросы заказчика. При этом с помощью нанокомпозитов мы добиваемся значительной экономии при создании материала и обеспечиваем сбережение природных ресурсов».