«Российские нанокомпозиционные материалы: стратегия захвата рынков» Гайдаровский форум 2011 «Россия и мир: в поисках инновационной стратегии» Доклад Генерального директора ЗАО «Холдинговая компания «Композит» Л.Б.Меламеда

Сравнение базовых физико-механических характеристик полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе углеродных волокон (УВ) с различными конструкционными материалами Тип материала Прочность, МПа Модуль упругости, ГПа Плотность, гр./куб. см Композит на основе углеродного среднепрочного волокна УВ СПУ (S – Strength) ,6 Композит на основе углеродного высокопрочного волокна УВ ВПУ (HS – High Strength) ,6 Композит на основе углеродного высокомодульного волокна УВ ВМУ (HM – High Modulus) 2400> 2301,6 Композит на основе стекловолокна S класса СВ - S870401,8 Алюминиевый сплав (2024-T4)450732,7 Титан ,54,5 Малоуглеродистая сталь (55 сорт) ,8 Нержавеющая сталь (А5-80) ,8 Быстрорежущая сталь (17/4 Н900) ,8 Углеродные волокна (УВ) – органический материал, содержащий ,99 % углерода. Углеродные волокна получают путем ступенчатой термообработки различных химических волокон (прежде всего на основе полиакрилонитрила - ПАН) при температурах до С. По сравнению с обычными конструкционными материалами (алюминием, сталью и др.) полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе УВ обладают экстремально высокими характеристиками – прочностью, сопротивлением усталости, модулем упругости, химической и коррозионной стойкостью, в разы превышающими аналогичные показатели стали, при существенно меньшей массе. 2

Углеродные волокна до 10 раз прочнее и в 4 раза легче стали е годы XX века * Малотоннажное производство * Высокие (неконкурентоспособные с традиционными конструкционными материалами) цены. * Стратегические сферы применения углеродных волокон: самолетостроение, ракетостроение, производство газовых центрифуг для обогащения урана. XXI век * На мировом рынке конкурентоспособны только компании обладающие крупнотоннажным производством * Снижение цен до конкурентоспособного уровня. * Массовое применение в гражданских отраслях. строительство энергетика нефте - газодобыча трубопроводы 3 Цена - основной фактор сдерживающий спрос

Возможности роста рынка ПКМ За последние 50 лет население планеты увеличилось в три раза. Самые большие показатели роста наблюдаются в развивающихся регионах: в Азии, Африке, Латинской Америке. Будущий рост ВВП будет зависеть не от прироста населения, а от возможности решать проблемы, связанные с перенаселением, а именно: нехватка еды, энергии и земельных площадей. Изменение климата и стоимость энергии будут являться основополагающими факторами экономического цикла в течение следующих 50 лет. Ресурсы нашей планеты ограничены и нам нужно жить в пределах имеющихся возможностей. Мы просто обязаны полностью поменять структуру энергопотребления и избавить мировую экономику от углеводородной зависимости: нужен переход на ветроэнергетику, атомную энергию и легковесные транспортные средства. Экономический кризис стимулирует развитие новых технологий - в 2011 году уже существуют новые, революционные материалы и продукция. Принятое в 20 веке определение технологически развитого государства предполагало знания в области улучшения и производства материалов - алюминия, полимерных и ядерных материалов. Возможно, что в 21 веке определение технологически развитого государства будет предполагать возможность производить высококачественное углеродное волокно. Совокупный показатель темпов годового роста в сегменте углеродного волокна составил 25% - это как "силиконовая долина на стероидах". 4

Спрос / производственная мощность тыс. тонн Спрос тыс. тонн Производственная мощность тыс. тонн Цена US$ кг. Начало применения в космической технике ПКМ для ветроэнергетики ПКМ для Boeing 787 ПКМ для BMW City Car Начало применения в спортивных товарах Начало применения ПКМ в гражданском авиастроении ПКМ для микроэлектроники ПКМ для СВА, в т.ч. для снижения рисков разрушения конструкции при землетрясениях и террористических актах ПКМ для болидов Формулы 1 ПКМ для платформ нефте- и газо- добычи Ежегодный рост спроса 5-8%10-15% Рост спроса на углеродные волокна в течении 50 лет ( ) 5

Возможности роста рынка ПКМ Потребление ПКМ на душу населения в мире 6 Опубликованные прогнозы роста рынка углеродного волокна часто расходятся, по консервативному сценарию мировой спрос в 2020 году может составить от тонн в год. По мере выявления новых областей бизнеса эти показатели пересматриваются, причем всегда в сторону повышения, а не понижения. По прогнозам экспертов, при цене УВ < $/кг объем мирового потребления композиционных материалов на основе углеродных волокон только в автомобилестроении может вырасти до 10 млн. тонн в год, а строительная индустрия потребует 12 млн. тонн в год. Это сделает ПКМ одними из основных конструкционных материалов следующего технологического уклада. Необходимо отметить, что существует зависимость минимальной цены на УВ (при которой происходит переход от традиционных конструкционных материалов к композитам) от цены на нефть. Чем выше стоимость нефти, тем выше эта «минимальная цена перехода». Особенно заметно проявляется эта тенденция в авиастроении, автомобилестроении, судостроении, в связи с удорожанием единицы веса транспортного средства (стоимости его эксплуатации) при росте цен на энергоносители. По прогнозам экспертов, при цене 200 $ за баррель нефти, «минимальная цена перехода» УВ составит 20 $/кг. Сегодня доля РФ в мировом потреблении композиционных материалов на основе углеродных волокон составляет 0,4%.

Мировая практика применения нанокомпозиционных материалов

Доля ПКМ (по массе): Аэробус А380 – 22% Боинг 787 – до 60% Военные – не более 40% Результаты использования ПКМ: Снижение веса на 15-30% Уменьшение расхода топлива Улучшение экологических показателей По расчетам фирмы Porcher, за килограмм сэкономленного веса производители гражданских самолетов готовы платить до 500 ЕВРО Проект БОИНГ 787 DREAMLINER Проекты SSJ 1XX и IRCUT MS 21 Применение композиционных материалов в авиастроении (гражданская и военная авиация) 8

Эффективность применения ПКМ в авиации В мире отмечается неудовлетворенный спрос на новые экономичные грузовые самолеты. Когда топливо стоило $1 за галлон, требовалось 4000 полетных часов в год, для того, чтобы высокая стоимость самолета A Fs была оправданной по сравнению с низкими эксплуатационными расходами на старые самолеты DC-10F. В настоящее время цена на топливо составляет около $2,90, в результате 2000 полетных часов в год достаточно для того чтобы окупить затраты на покупку современного грузового самолета. Это - мгновенный экономический "переворот". Существование новых, экономичных самолетов с низким расходом топлива позволяет операторам создать новую экономическую модель. Похожий сценарий наблюдается и в индустрии пассажирских авиаперевозок. Сингапурские авиалинии (Singapore Airlines (SIA) владеет 11 самолетами A380 и около 80 Boeing 777s. Эта авиакомпания является самой прибыльной в мире. При этом, компания British Airways (BA) работает со старым флотом из более чем 300 самолетов (в т.ч. Boeing со сроком службы в двадцать пять лет). Стоимость компании SIA в раза превышает стоимость компании BA! 9

Применение композиционных материалов в автомобилестроении Панели кузова, изготовленные из композиционных материалов, будут использоваться в автомобилях с низким потреблением топлива и высокими эксплуатационными характеристиками. В апреле 2010 года компания BMW Motors объявила о строительстве завода по карбонизации ПАН прекурсора мощностью в тонн в год (первая фаза). Основная доля производимого волокна будет поставляться в Германию. В июне 2010 года компания "Фольксваген" объявила о потребности в 780 тоннах углеродного волокна в год к 2014 году. В 2022 году эта потребность возрастет до тонн (20 кг углеродного волокна или 40 кг композиционных материалов в каждом новом автомобиле "Фольксваген"). Сегодня в мире производится около 60 миллионов автомобилей в год, к 2022 году этот показатель превысит 75 миллионов автомашин. По экономической модели компаний "Фольксваген" и BMW, потребности автомобильной промышленности в углеродном волокне будут составлять 1,5 млн. тонн в год при существующих ценах! 10

Применение композиционных материалов в автомобилестроении 11 Силовые структуры дверей Крышка багажника Защитные элементы днища Кузовные панели Крепление бампера Элементы кузова Силовая структура сиденья Картер коробки передач Баллоны высокого давления

12 Применение композиционных материалов в автомобилестроении Корпус фары Рычаги подвески Бензобак Крепление радиатора Тормозные диски Рама грузового автомобиля Карданный вал Декоративные панели салона Внешние декоративные панели

Применение композиционных материалов в сверхлегких корпусах транспортных средств 13 Кабины и корпуса полуприцепов грузовых автомобилей Корпусные элементы грузового водного транспорта Корпуса грузовых и пассажирских поездов Транспортные резервуары больших емкостей

Применение композиционных материалов в ветроэнергетике 14 Основной драйвер роста потребления ПКМ в ветроэнергетической установке - увеличение мощности единичного агрегата, что, в свою очередь, требует увеличения длины лопасти. Основные преимущества и наибольшее применение углеродное волокно имеет в каркасах лопастей длиной от 40 метров. Замещение стекловолокна на УВ позволило производителю Vestas создать лопасти длиной 44 м. равными по весу лопастям длиной 39 м.

Применение композиционных материалов в строительстве Применение композиционных материалов в строительстве определено их высокими эксплуатационными характеристиками. В сравнении с традиционными материалами, композиты выигрывают по ряду параметров. С развитием технологий изготовления композиционных материалов, производство их становится все более дешевым, что позволяет благодаря увеличенному сроку эксплуатации материалов добиться снижения стоимости проекта на всем жизненном цикле изделия. Преимущества перед традиционными материалами высокая прочность долговечность отсутствие коррозии и химическая стойкость простота и скорость выполнения работ отсутствие потребности в тяжелом подъемном и установочном оборудовании отсутствие «мостиков холода» в отличии от стальной арматуры 15

Применение систем внешнего армирования на основе тканей из углеродных волокон - повышение взрывных нагрузок для увеличения сейсмоустойчивости и антитеррористических мер Зависимость «момент-кривизна» Результаты испытания усиленной и неусиленной плиты Не усиленная колонна Усиленная колонна 16

Российские нанокомпозиционные материалы

Основные драйверы роста – сегменты с высоким потенциалом сбыта, оценка на перспективу -10 лет Доля рынка Тыс. тонн до т/год Производство бетонов с внутренним армированием фиброй Производство асфальтобетонных смесей с внутренним армированием фиброй Производство тканей для систем внешнего армирования до т/год до т/год Производство арматуры для систем внешнего и внутреннего армирования до т/год Производство ПКМ для мостостроения до т/год до т/год до т/год Производство трубопроводов из ПКМ Производство конструкций из ПКМ для нефте- газо- добычи - существующие и активно развивающиеся рыночные сегменты - перспективные сегменты рынка – возможности для российской промышленности занять лидирующие позиции в этих областях до т/год до т/год до т/год Производство сердечников ЛЭП Производство баллонов высокого давления Производство изогридных конструкций 18

Армирующие добавки (фибра) Углефибробетон рекомендуется для изготовления конструкций, в которых могут быть наиболее эффектно использованы следующие его технические преимущества по сравнению с бетоном и железобетоном: - значительное снижение влагопроницаемости; - повышенная морозостойкость и атмосферостойкость; - стойкость к агрессивным средам; - повышенные трещиностойкость, ударная вязкость, износостойкость; - возможность использования более эффективных конструктивных решений, чем при обычном армировании, например: применение тонкостенных конструкций, конструкций без стержневой или сетчатой распределительной и поперечной арматуры и др.; - возможность снижения или полного исключения расхода стальной арматуры, например, в конструкциях с экономической ответственностью; - снижение трудозатрат и энергозатрат на арматурные работы, повышение степени механизации и автоматизации при производстве углефибробетонных конструкций, например, сборных тонкостенных оболочек, складок, ребристых плит покрытий и перекрытий, дорожных покрытий, монолитных и сборных полов промышленных и общественных зданий, конструкций несъемной опалубки и др.; - возможность применения новых, более производительных приемов формования армированных конструкций, например, пневмонабрызга, прогиба свежеотформованных листовых изделий и др. 19

Системы внешнего армирования Усиление арочного проема ул.Зоологическая Проемы в перекрытиях Щукинская Усиление колонн Домодедово Усиление простенков и колонн в строящемся здании г.Москвы Пилоны стадион Локомотив Ремонт трещины в перекрытии длинной 131м Домодедово 20 Преимущества перед традиционными материалами высокая прочность долговечность отсутствие коррозии и химическая стойкость простота и скорость выполнения работ отсутствие потребности в тяжелом подъемном и установочном оборудовании

Системы внешнего армирования, оценка экономической эффективности на примере усиления моста п. Татищево, Саратовская обл., 2010 г. Калькуляция себестоимости ремонта моста (п.Татищево, Саратовская обл.) системой внешнего армирования углеродными лентами Калькуляция себестоимости ремонта моста (п.Татищево, Саратовская обл.) традиционным методом усиления металлическими шпренгелями Статьи затратСумма, руб.Статьи затратСумма, руб. Проектирование ,00Проектирование ,00 Материалы ,00Материалы ,00 Проведение работ ,00Проведение работ649231,00 Итого: Сметная стоимость с НДС ,00Сметная стоимость с НДС ,00 Экономический эффект642843,00 рублей % Несущая способность моста (п.Татищево, Саратовская обл.) обозначение нормативной нагрузки значение единичной нагрузки, тонн Проектная нагрузка до усиленияН-13; НГ-60(Д) 48,00 Фактическая нагрузка до усиления 20,00 Фактическая нагрузка после усиленияАК-14 82,23 Увеличение несущей способности 62,23 21

Область применения: для армирования перекрытий больших площадей; в тюбингах тоннелей метрополитена; в легких и тяжелых бетонах в строительстве; в монолитных бетонах с хлоридсодержащими противоморозными добавками; для армирования конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред; в конструкциях, подверженных воздействию блуждающих токов (опоры ЛЭП и т.д.). Замена стальной арматуры на углепластиковую: уменьшение диаметра арматуры при сохранении физико- механических характеристиках (например стальная арматура диаметром 28 = углепластиковой арматуре диаметром 12) малый вес отсутствие коррозии увеличение межремонтных сроков Углепластиковая арматура для систем внешнего и внутреннего армирования 22 Системы внешнего и внутреннего армирования, другие возможности применения Усиление внешним армированием емкостей для хранения нефтепродуктов Усиление внешним армированием градирен и зданий геотермальных станции Усиление внешним армированием труб и градирен

Мосты из композитного материала, с применение углеродного волокна Парк 50-летия октября Применение композиционных материалов: значительно увеличивает срок эксплуатации и, как следствие, снижает эксплуатационные издержки; существенно повышает коррозионную стойкость конструкции; сокращает сроки и стоимость монтажных работ; требует менее объемных опор и фундамента (экономия бетона и арматуры). 23

Трубы, водоводы и водопропускные каналы 24 Области применения: * использование композиционных водоводов и водопропускных каналов, армированных углеродным волокном; * ремонт действующих водоводов и водопропускных каналов с использованием углепластиковых систем внешнего армирования. Преимущества: существенная экономия в весе, увеличение прочности, эксплуатационного ресурса и коррозионной стойкости.

Применение в нефте- и газодобывающей промышленности Нефте- и газодобывающие платформы Подводные насосные станции Бурильные водоотделяющие колонны (УВ) Глубоководные шлангокабели (армирование) Силовые тросы и растяжки Конструкционные элементы (УВ) Армирование несущих колонн Пластик, армированный углеродным волокном, дает экономию в весе, обладает высокой прочностью и большим эксплуатационным ресурсом. Не подвержен коррозии. 25 Корпусные элементы платформ

Сердечники линий электропередач Сердечники кабеля ЛЭП. Преимущества: *значительное увеличение прочности, *максимальная температура эксплуатации 180°С (сталь 120 °С), *увеличение эффективной массы (массы кабеля) на 28%, увеличение допустимой силы тока в высоковольтной сети, отсутствие провисания проводов вследствие нагрева. 26

Изогридные опоры Изогридные опорные конструкции - ЛЭП, осветительные вышки, ретрансляторы. Опора на фото: *длинна 14 метров, *масса 11 килограмм. ВАРИАНТЫ ПРИМЕНЕНИЯ: опора ЛЭП; осветительная мачта; метеовышка; ретрансляционная вышка; опора для размещения элементов дорожной инфраструктуры (знаки, камеры слежения, светофоры) на поперечной ферме. 27

Мероприятия необходимые для развития российского рынка нанокомпозиционных материалов

I. Разработка Программы стимулирования спроса на конечные изделия с техническими характеристиками мирового уровня и большой долей конструкционных материалов высокой прочности и малого веса. * Внесение изменений в законодательные акты РФ, в частности в ст. 28 Федерального закона 94-ФЗ от г. «О размещении заказов на поставки товаров, выполнения работ, оказания услуг для государственных и муниципальных нужд», предполагающих конкуренцию на основе стоимости «жизненного цикла» изделия. * Внесение изменений в ГОСТЫ и СНИПы, предусматривающие применение ПКМ на основе углеродных волокон (системы внешнего и внутреннего армирования с использованием углеродных лент, арматура, армирующие фибродобавки), мостостроение (конструкционные материалы и углеродные ленты для нового строительства и ремонтов), дорожное строительство (армирующие фибродобавки), электроэнергетика (изогридные опоры, сердечники кабеля ЛЭП), трубопроводный транспорт для нефте – и газодобывающей промышленности). * Разработка государственной Программы внедрения высокопрочных ПКМ в строительной индустрии для усиления, ремонта и реконструкции зданий и сооружений, трубопроводного транспорта, а также в конструкции проектируемых зданий, сооружений, мостовых сооружений в годах, предусматривающей 2-3 референтных объекта в каждом сегменте применения (мосты, автодороги, метрополитен, ЖКХ, водоканал, энергетика, строительство и ремонт зданий и сооружений) для апробации. * Формирование механизма реализации «встречных (офсетных) сделок», когда при закупке гражданской и специальной техники государственной (или имеющей государственное участие) компанией с использованием в качестве материала в конструкции данной техники ПКМ, заключается встречная сделка с компанией из страны- поставщика закупаемой техники на поставку аналогичного содержащемуся в приобретаемой технике количества ПКМ отечественного производства. 29

II. Формирование механизма софинансирования НИОКР в области высокопрочных полимерных композиционных материалов (в том числе частных и иностранных компаний). * Государство ставит задачу приобретать новейшие технологии на Западе. Однако обращаясь за технологией «под ключ», инвестор получит либо сам товар, произведенный на основе передовой технологии, либо технологию предыдущего поколения. В этом случае возможно говорить только о догоняющем развитии, а не об инновационном. Существует более эффективный и зачастую «дешевый» способ – входить на стадии разработки той или иной инновационной технологии, т.е. финансировать исследования еще до того, как будет сделано значительное открытие. При этом неважно отечественные это разработки либо зарубежные. * Один из важнейших элементов «захвата рынков» - иностранные НИОКРы. Необходимо постоянно находится в курсе международных исследований, реализовывать программу «out house». * Маленькие частные компании не в состоянии вкладывать крупные средства в НИОКР. Важно, чтобы государство софинансировало не только НИОКР госкомпаний, но и частных. III. Создание сети инжиниринговых центров трансфера технологий производства конечных изделий из ПКМ. * Проведение полного комплекса инжиниринговых работ (разработка или поиск существующей технологии, ее апробация и адаптация под конкретные требования заказчика, проведение проектных работ, расчет и моделирование, прототипирование, работы по подбору поставщиков оборудования и дальнейшему внедрению технологии на промышленных производствах). * Создание информационно-выставочной площадки передовых технологий производства и обработки ПКМ, оснащенной регулярно обновляемой функционирующей производственной базой. * Подготовка ПКМ и изделий из них к сертификации. 30

IV. Повсеместное введение в технических ВУЗах специальностей по производству и конструированию изделий из ПКМ. * Организация и проведение учебного процесса в целях подготовки, переподготовки, повышения квалификации кадров в области разработки и производства ПКМ (магистратура, подготовка инженерных кадров, обучение технологов и рабочих). V. Создание «Композитной долины». * Создание кластера разработчиков технологий и производителей углеродных волокон, препрегов и изделий из ПКМ с целью формирования единого центра консолидирующего и координирующего основные научно - производственные ресурсы и компетенций. * Например, Южная Корея создала аналогичный центр компетенций с финансированием на уровне 800 млн. долларов. 31

Какая медлительная страна! - сказала Королева. - Ну, а здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте! Если же хочешь попасть в другое место, тогда нужно бежать по меньшей мере вдвое быстрее! Льюис Кэрролл «Алиса в Зазеркалье»