Группа ученых Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ) под руководством д.т.н., профессора Виктора Каблова в рамках программы Центра компетенций «Технологии моделирования и разработки новых функциональных материалов с заданными свойствами» (ЦНФМ) на базе Новосибирского государственного университета, финансируемой Фондом НТИ, создала базу данных, содержащую более 5000 рецептур эластомеров и включающую модули искусственного интеллекта. В настоящее время это крупнейшая в России база данных эластомерных материалов, посвященная материаловедению. Кроме того, была разработана программа для расчета теплофизических характеристик полимерных композиционных материалов, а также для имитационного моделирования поведения огне- и теплозащитных материалов. Эти три инструмента предназначены для того, чтобы стать цифровым помощником разработчика эластомеров и значительно ускорить процесс создания новых материалов для различных отраслей промышленности. Данная работа является частью проекта «Компьютерное материаловедение многокомпонентных наноструктурных эластомерных материалов с заданными свойствами для экстремальных условий эксплуатации» и входит в программу развития ЦНФМ НГУ.
Цифровое (компьютерное) материаловедение — современное направление в науке и технике, фокусирующееся на создании и совершенствовании новых материалов. Этот процесс охватывает все этапы – от атомного уровня до готового изделия, с применением цифровых технологий, моделирования и виртуального тестирования на протяжении всего жизненного цикла. Компьютерное материаловедение позволяет значительно ускорить разработку материалов с требуемыми характеристиками, обеспечивая возможность прогнозирования структуры, управления свойствами, оптимизации технологических процессов и проектирования принципиально новых материалов и композиционных материалов.
Проект, посвященный компьютерному исследованию многокомпонентных наноструктурных эластомеров с заданными свойствами для применения в экстремальных условиях, состоит из двух последовательных этапов. Первый этап предполагает создание программного и информационного обеспечения нового поколения на базе искусственного интеллекта для решения задач компьютерного материаловедения эластомеров. Второй этап включает разработку новых эластомерных материалов с использованием созданного программного обеспечения, освоение технологий их производства, подготовку технической документации и изготовление опытно-промышленных партий. В настоящее время завершены работы по первому этапу, который стартовал в 2024 году: создан программно-аппаратный комплекс, объединяющий базу данных, программу для расчета теплофизических свойств полимерных материалов и модуль имитационного моделирования поведения материалов при экстремальных нагрузках.
В проекте участвует большая команда специалистов, в которую также вовлечены эксперты из других вузов и промышленных предприятий. Руководит работой Центр НТИ по новым функциональным материалам под руководством директора Александра Квашнина.
Эластомеры, известные также как резины, представляют собой полимерные материалы с выраженной эластичностью. Сегодня они находят применение в широком спектре отраслей, включая авиационную, автомобильную, судостроительную, нефтегазовую и другие. Область их использования продолжает увеличиваться: если в 1950-х годах в автомобиле насчитывалось всего 28 резиновых деталей, то сейчас их количество превышает 500. Вместе с увеличением сферы применения эластомеров возрастают и требования к ним, а также усложняются условия их эксплуатации. Материалы часто работают вблизи допустимых пределов, подвергаясь термическому и химическому разрушению, воздействию значительных механических и фрикционных нагрузок, динамическим нагрузкам и прочим факторам.
«Эластомеры представляют собой многокомпонентные материалы со сложной структурой, каждый из которых включает до 20 компонентов, находящихся в сложном физико-химическом взаимодействии. Разработка одного нового рецепта требует не менее 6 месяцев и обходится примерно в 1 млн рублей. В области резинотехнических изделий насчитывается около 10000 различных рецептур, и постоянно разрабатываются сотни новых материалов, появляются новые ингредиенты. При этом эффективность многих материалов зачастую не соответствует необходимым требованиям из-за недостаточной проработки. В настоящее время создание материалов осуществляется преимущественно эмпирическими методами, и количество экспериментов, проводимых при разработке некоторых из них, может превышать 10 тыс. В условиях стремительного развития многих отраслей такой подход неэффективен — стоимость проведения экспериментов возросла в десятки раз, а время разработки при эмпирическом подходе становится неприемлемо большим. Таким образом, мы сталкиваемся с двумя проблемами, требующими решения. Первая — информационная, заключающаяся в необходимости быстрого поиска подходящего материала. Вторая — технологическая, связанная с ускорением процесса создания новых материалов, более точного прогнозирования их свойств и моделирования поведения под воздействием различных внешних факторов. На решение этих двух задач и направлен наш проект», — комментирует Виктор Каблов, доктор технических наук, профессор Волгоградского государственного технического университета.
Разработка базы данных – ключевой элемент сотрудничества ВолгГТУ и НГУ. На данный момент она содержит свыше 5000 рецептур эластомеров, и ее объем постоянно увеличивается. Перед добавлением рецептуры в базу данных, специалисты проводят ее проверку, уточняют и оценивают качество. База данных включает информацию об ингредиентах (составе), свойствах эластомеров и технологических режимах. На основе этих данных создается справочник, в котором материалы сгруппированы и классифицированы, что упрощает поиск и использование базы.
База данных использует модули машинного обучения и нечеткого поиска, основанные на технологиях искусственного интеллекта. Это позволяет выявлять закономерности в составах, определять взаимосвязь между составом и свойствами материала, а также поддерживает блок автоматизированного проектирования. Благодаря такому интеллектуальному анализу данных, можно с высокой точностью (более 90%) прогнозировать свойства нового материала, основываясь на информации о его составе.
«Задача банка заключается не только в предоставлении информации о материалах, но и в предоставлении инструкций по их созданию. Благодаря этому, такие банки превращаются в цифровые инструменты для технологов. В моей практике встречались ситуации, когда даже консорциумы опытных специалистов в области технологий не могли найти решение для разработки нового материала. Мы использовали данные, хранящиеся в банке, чтобы найти выход из положения. Таким образом, банк данных становится важной частью компьютерного материаловедения, — рассказывает Виктор Каблов.
Если рецепт с требуемыми характеристиками отсутствует, разработка нового рецепта осуществляется с помощью интерактивной программы, предназначенной для создания эластомерных рецептур. Эта программа использует базу данных, содержащую информацию о свойствах используемых компонентов. Учитывая большое количество компонентов, применяемых при создании эластомерных рецептур, программа должна определить наилучшее сочетание, проведя анализ множества вариантов (более ста тысяч) и выбрав оптимальный, что значительно упрощает и ускоряет разработку нового состава.
Ключевым элементом компьютерного материаловедения является программа, предназначенная для вычисления теплофизических параметров полимерных композитов на основе их химической формулы (возможность расчета до 16 свойств). Она позволяет оценить характеристики отдельных компонентов, используемых в материале. В программе имеется обширная база данных теплофизических характеристик компонентов, составляющих материал. Если справочные данные отсутствуют, эти характеристики могут быть определены с помощью программы прогнозирования, основанного на химической формуле.
«Такие характеристики, как теплоемкость, теплопроводность, температура и плотность, могут быть рассчитаны экспериментально. То есть взять определенный материал и провести испытания, но для этого требуются дорогостоящее оборудование и значительные временные ресурсы. В современных условиях будет эффективнее, если мы, зная состав, могли бы автоматизировать процесс расчета теплофизических свойств. На мой взгляд, мы достаточно успешно решили эту задачу: мы вводим в программу состав, и в течение нескольких секунд она рассчитывает четыре главных параметра — теплоёмкость, теплопроводность, температуру и плотность», — поясняет Виктор Каблов.
В настоящее время ученые разрабатывают еще один инструмент – имитационное многофакторное моделирование. Оно основано на математических моделях, которые описывают процессы прогрева материала и происходящие в нем физико-химические изменения по всему объему. Эта программа использует сложные многофакторные модели, что позволяет достаточно надежно определить требуемую толщину теплозащитного покрытия без проведения дорогостоящих экспериментов с использованием установок, оснащенных натурными реактивными двигателями.
«Исследование поведения материалов, таких как огне- или теплозащитные покрытия, функционирующие в крайне тяжелых и экстремальных условиях, требует значительных финансовых затрат, а необходимое оборудование, включая стенды для проведения испытаний, не всегда доступно. Наша разработанная программа позволяет вычислить и спрогнозировать поведение материала в заданных условиях. Вводя 18 параметров, характеризующих свойства материала и различные факторы воздействия (температура, время), мы определяем требуемую толщину теплозащитного покрытия. Важно учитывать, что это полимерный материал, который в процессе нагрева вспучивается, разлагается и поглощает тепло. Это так называемые “умные” материалы, способные адаптироваться к внешним воздействиям, и благодаря цепочке химических превращений в условиях, например, высоких температур, эти воздействия нейтрализуются. Таким образом, тепло расходуется на химические реакции, поглощающие тепло, и, как следствие, температура на противоположной стороне не повышается. Этот механизм аналогичен принципу работы живых организмов, — объясняет Виктор Каблов.
НГУ планирует вывести эту разработку на рынок, предлагая партнерам два пути взаимодействия: покупка лицензии, предоставляющей доступ к базе данных и программному обеспечению, или использование услуги, включающую техническую поддержку разработок партнера. Компании, работающие в нефтеперерабатывающей отрасли, производстве шин и резиновой промышленности, проявили интерес к технологии проектирования новых эластомеров.
Волгоградский государственный технический университет и Новосибирский государственный университет одновременно продолжают работу над вторым этапом, который предполагает разработку эластомеров – полимерных материалов, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях, таких как высокие температуры, давление и агрессивные среды. Эти материалы востребованы в нефтедобывающей отрасли, нефтехимии, при производстве двигателей, в космической технике и других сферах.
Информация предоставлена пресс-службой НГУ