Экспертное заключение подготовлено по итогам сессии ФБТ-2025 «Принципы создания материалов и технологий нового поколения»
Миссия
Обобщенно миссия участников состоит в формировании технологического лидерства в области ускоренной разработки и внедрения материалов на основе технологий моделирования и искусственного интеллекта в проектировании материалов, процессов, изделий на всех уровнях их структурной организации для создания новой продукции.
Для этого предлагается решить следующие основные задачи:
1) Разработка новых цифровых технологий моделирования и прогнозирования строения, свойств и формирования материалов.
2) Разработка новых технологий получения материалов с перспективными свойствами.
3) Разработка новых технологий масштабирования производства материалов и изделий.
4) Разработка передовых и уникальных устройств с применением новых материалов.
5) Разработка технологий получения новых марок материалов через цифровизацию процесса производства.
Объединение теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований
Объединение теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований направлено на решение основной проблемы современного материаловедения, а именно ускорение и удешевление поиска и разработки новых материалов для перспективных приложений. Эту проблему предлагается решить для конкретных классов материалов в приложении к решению практических поиска оптимальных характеристик для совершенствования энергетики, транспортных средств, строительства, машиностроения и др.
Серьезнейшие современные проблемы, такие как глобальное потепление, энергетический кризис, низкая гибкость производственных технологий, онкологические и инфекционные заболевания, низкая производительность и высокое энергопотребление техники, могут быть решены с использованием новых материалов и цифровых методов их дизайна. Элементы искусственного интеллекта и математическое моделирование уже представляют неотъемлемую часть химии и материаловедения. Для их развития формируются новый математический аппарат и модели описания корреляций «состав-структура-свойство». Накопление информации о структуре и свойствах материалов, расчет новых дескрипторов, построение математических моделей на основе новых технологий искусственного интеллекта позволяют создавать цифровые инструменты, позволяющие за доли секунды прогнозировать оптимальные варианты структурной организации и свойств кристаллов, аморфных веществ и композитов, что в совокупности называется дизайном материалов. Дизайн необходим для создания новых материалов, обладающих полезными свойствами, такими как радиационная стойкость, механическая прочность, преобразование света в электричество, возможность использования в аддитивном производстве и др.
Данные сейчас — технологии потом
Обозначена острая потребность в объединении баз данных всех российских производителей, научных организаций и проектных институтов и передовых технологий прогнозирования свойств материалов в рамках единой цифровой платформы с научным и инженерным программным обеспечением (ПО).
Реализация такого масштабного проекта позволит решать широкий круг материаловедческих и инженерных задач в области цифрового материаловедения и проектирования изделий.
Цифровая платформа
Развитие технологий моделирования и машинного обучения делают процессы разработки новых перспективных материалов все более точными и эффективными. В первую очередь это технологии, позволяющие создавать, проектировать материалы с заданными свойствами и моделировать поведение конструкций из новых материалов на протяжении всего жизненного цикла. Проектирование материала и самой конструкции, а также разработка производственного процесса представляют собой единый взаимосвязанный бесшовный цифровой материаловедческий процесс, в котором каждый компонент дополняет и определяет другие в рамках единой цифровой модели.
Свойства материалов определяются их составом и строением. Моделирование на этом уровне осуществляется методами квантовой химии, молекулярной динамики и Монте-Карло и др. С их использованием проектируются практически любые материалы от солнечных батарей и металл-ионных аккумуляторов до реагентов для очистки воды, водоподготовки и пищевой промышленности. Разработка и проектирование, «с нуля», новых материалов также возможно с использование цифровой материаловедческой платформы, интегрированной с базой данных материалов, искусственным интеллектом и ПО для молекулярного и инженерного моделирования. Переход от разработки материала к разработке конструкций и производственных технологий возможно ускорить применением цифровых материаловедческих технологий, обеспечивающих бесшовную связь между единой базой данных по материалам, цифровыми паспортами материалов и цифровыми двойниками технологий, с учетом их интеграции и гармонизации с имеющимся и разрабатываемым в настоящее время инженерным и научным ПО (PDM/CAD/CAE/CAPP/CAM) в рамках единой цифровой платформы.
Новые перспективные материалы и изделия из них являются чрезвычайно емкими с точки зрения необходимости решения задач на основе данных больших и малых объемов, оптимизационных задач и применения всех накопленных знаний и опыта. В связи с этим существенными являются риски обеспечения своевременного и эффективного выполнения отдельных стадий жизненного цикла материалов и изделий. Такие характеристики задач инжинирингового обеспечения в совокупности определяют их как сложноформализуемые задачи. Для повышения эффективности и интенсивности их решения рационально использовать инструменты и средства поддержки принятия решений на основе технологий искусственного интеллекта. Такие решения опираются на интеллектуальные технологии представления знаний и технологии интеллектуального анализа данных.
Задачи планирования, управления и контроля реализации научно-технологических процессов создания новых материалов, изделий из них не могут рассматриваться исключительно в разрезе абстрактного проектного управления. Они должны решаться в привязке к реализации процессов, сущности исследуемых и создаваемых объектов и материалов, их характеристикам, формирующим основу технико-экономических показателей. В этой связи, решение материаловедческих задач должно быть взаимоувязано с разработкой и адаптацией подходов из области искусственного интеллекта. Такой подход обеспечивает интеграцию моделей и методов поддержки принятия решений и комплекса сведений о технологических и структурных параметрах создаваемых и исследуемых материалов и изделий из них. Должны быть разработаны и комплексированы технологии интеллектуального анализа данных, машинного обучения, обеспечивающие повышения скорости и качества решений на стадиях жизненного цикла. Эти технологии должны позволять формировать конкретные технологические рекомендации, оформленные как средство специализированного целостного технологического консалтинга в области создания новых конструкционных материалов и изделий из них. Одним из критериев разработки таких подходов является нацеленность на интенсификацию и сокращение временных затрат на реализацию этапов разработки новых материалов. При этом материалы должны доводиться до производства изделий из них при безусловном сохранении технологии и удовлетворении требований к их качеству.
Для решения этих задач предлагается создать цифровую платформу с интегрированной цифровой базой данных материалов, а также с научным и инженерным ПО. Данное решение позволит существенно оптимизировать временные и финансовые затраты необходимые для расчета, моделирований, проведения испытаний при использовании как существующих, так и новых материалов в изделиях, конструкциях, предназначенных для атомной, химической, транспортной промышленности, машиностроения, двигателестроения, строительства, судостроения, авиаракетостроения и др.
Новые перспективные структуры материалов, спрогнозированные при помощи искусственного интеллекта
Несмотря на высокую точность и растущую достоверность результатов предсказания свойств полимеров при помощи методов молекулярной динамики и квантово-химических расчетов, использование данных методов для определения перспективных макромолекулярных структур ограничена необходимостью ручного перебора рассматриваемых структур и существенной вычислительной сложностью задачи. Внедрение искусственного интеллекта для оценки физических свойств полимеров на основе химического строения за счет выдающегося быстродействия и универсальности подходов работы с различными классами материалов может позволить выявить наиболее перспективные для конкретного назначения новые структуры полимеров, что позволит существенно уменьшить объем необходимых синтетических и экспериментальных работ и сократить время поиска и внедрения новых полимерных и композитных материалов в промышленность. Примером программного обеспечения для успешного прогнозирования кристаллических материалов является реализация А.Р. Огановым эволюционных алгоритмов в коде USPEX. однако в отношении пока еще многих сложных по строению материалов подобные алгоритмы до сих пор не реализованы.
Материаловедческие и инженерные задачи, решаемые с привлечением цифровой платформы
В настоящее время разработка новых перспективных конструкционных и функциональных материалов и изделий на их основе определяется успешностью решения ряда научных и технологических задач. Сроки существенно сокращаются, объём и значимость результатов решения повышаются с использование последних достижений в области цифрового материаловедения, искусственного интеллекта и организации процессов эффективного бесшовного технологического процесса.
Разработка и производство новой высокотехнологичной продукции в высококонкурентных и высокомаржинальных сегментах рынка сегодня предполагает применение новых передовых, перспективных материалов, к которым относят, прежде всего, композиционные материалы, «умные» материалы и материалы для аддитивного производства.
Применение таких материалов позволяет создавать продукцию с принципиально новыми потребительскими характеристиками, что является одним из основных признаков отнесения материала к данной категории. Значительная часть новых материалов разрабатывается для определенных эксплуатационных условий, в которых применение традиционных материалов невозможно. Примерами таких материалов являются композиционные материалы, способные выдерживать экстремальные температуры, возникающие, например, при сверхзвуковых, гиперзвуковых скоростях и применяющиеся в самолетостроении и ракетостроении.
Применение новых материалов повышает конкурентоспособность целых секторов: высокопрочные легкие металлические сплавы для аэрокосмической промышленности, антикоррозийные мембраны для современных систем фильтрации, сверхвысокотемпературные конструкции для более эффективных турбин в производстве электроэнергии и другие. Рынок новых перспективных материалов охватывает полный жизненный цикл от добычи, первичной переработки, разработки способов формирования уникальных свойств и характеристик материалов до производства, тестирования и использования конечных изделий, а также утилизации и переработки отходов.
Основными драйверами рынка остаются высокотехнологичные отрасли промышленности, обеспечивающие спрос на новые перспективные материалы, такие как автомобилестроение, авиакосмическая отрасль, медицинские изделия, радиоэлектроника и приборостроение. Спрос в таких отраслях определяется как конкуренцией на существующих рынках, необходимостью соответствовать ожесточающимся экологическим требованиям, так и созданием заделов для конкуренции на рынках будущего, разработкой образцов новой перспективной техники.
Инициативы, направленные на внедрение подходов, основанных на данных и предполагающих применение статистики, машинного обучения и искусственного интеллекта, сокращают сроки разработки материалов и описания их свойств. Ранее срок вывода на рынок для новых материалов составлял до 15 лет, а цифровые материаловедческие технологии позволяют сократить его до 3-5 лет.
Основная характеристика создания конструкции из композитных материалов заключается в том, что процесс проектирования изделия начинается с создания самого материала. В этом случае свойства материала формируются (рассчитываются, проектируются) уже при изготовлении конкретной конструкции. Существенно результат может улучшен за счет применения инструментов и возможностей цифрового материаловедения, моделирования и направленного дизайна материалов. Такой подход позволит провести рациональный выбор материалов, использовать рациональные технологические процессы, а также уточнить и оптимизировать нагрузки, действующие как на всю конструкцию, так и на отдельные ее элементы.
Среди перспективных областей применения новых материалов можно выделить следующие:
- композиционные интерметаллидные наноструктурированные покрытия для защиты конструкций в экстремальных условиях;
- углеволокнистые композиты с керамической матрицей на основе высокопрочных, высокомодульных нитей с пониженной массой и повышенной термостабильностью для производства элементов конструкции самолетов, ракет и космических станций;
- конструкционные материалы нового поколения с новой архитектурой и свойствами, в первую очередь механическими: повышенными прочностью, пластичностью, твердостью, трещиностойкостью, сопротивлением усталости и др.;
- функциональные материалы нового поколения с новыми свойствами (оптическими, транспортными, излучательными и др.), обусловленными наличием структурных элементов наномасштабных размеров;
- фотонные нанопереключатели, повышающие пропускную способность внутричиповых соединений при снижении энергопотребления;
- материалы для производства солнечных батарей, преобразующих до 90% световой энергии в электрическую, а также для батарей, использующих инфракрасный диапазон и коротковолновую область солнечного спектра;
- новые материалы для альтернативных источников электроэнергии на основе нанотехнологий.
Конструкционные материалы и материалы для техники
В авиационной технике в силу особенностей эксплуатации к материалам предъявляются высокие требования. Материалы, из которых изготовлен самолет, должны обеспечивать необходимую прочность и жесткость конструкции и обладать стойкостью к атмосферным воздействиям. При этом в материале должна быть предусмотрена возможность изготовления изделия сложной формы и по возможности без дополнительных крепежных элементов, увеличивающих вес самолета, что связано с непрекращающейся борьбой за снижение массы конструкции. При выборе материала элементов конструкции необходимо учитывать его механические и теплофизические характеристики, удельный вес, коррозионную стойкость, стоимость и дефицитность сырья, а также возможность обработки материала с использованием современных технологических процессов. Выбор материала также зависит от размера и формы элемента конструкции и условий, при которых он испытывает нагрузки. Благодаря своим качествам, высокому удельному сопротивлению, способности управлять структурой и формой изделий практически любой геометрии, легкости комбинирования с различными материалами композитные материалы нашли широкое применение в авиастроении.
Существующие на сегодняшний день жесткие требования рынка космических запусков имеют строго определенную тенденцию к увеличению массы и габаритов выводимого на орбиту полезного груза (ПГ), что инициирует увеличение грузоподъемности ракет космического назначения (РКН) за счет создания новых и модернизации существующих носителей. Поиск эффективных путей снижения массы агрегатов ракетно-космической техники (РКТ), особенно в последние два десятилетия, привел к постоянно нарастающей тенденции использования в них полимерных композиционных материалов (ПКМ) с непрерывно возрастающим объемом и уровнем ответственности изделий.
ПКМ широко применяются в силовых элементах — головные обтекатели, переходные отсеки, адаптеры полезного груза, корпуса ракетных двигателей — в термонапряженных и эрозионно стойких элементах — камеры сгорания, сопла, турбонасосные агрегаты — и для тепловой защиты. При этом основными конструктивно-силовыми схемами (КСС) для силовых элементов РКН являются сэндвичевые конструкции с различными типами заполнителя и сетчатые — изогридные и анизогридные.
Перспективными и востребованными при проектировании современных объектов морской техники будут материалы с сочетанием противоречивых, взаимоисключающих требований по массе, прочности, заметности по физическим полям, функциональным свойствам. Традиционные материалы близки к исчерпанию возможностей модифицировать их свойства. Решение, например, могут дать гибридные материалы, обладающий полифункциональным комплексом свойств.
Рекомендации органам государственной власти
1) Создать консорциум из ведущих организаций для создания единой цифровой платформы материаловедов.
2) Обеспечить механизмы государственной регуляторной поддержки и обеспечения безопасности внедрения цифровой платформы на предприятиях государственных корпораций.
3) Предусмотреть поощрения и популяризации цифровой платформы среди генерирующих данные организаций и физических лиц для сбора данных по материалам.
Экспертные аналитические заключения по итогам сессий деловой программы Форума и любые рекомендации, предоставленные экспертами и опубликованные на сайте Фонда Росконгресс являются выражением мнения данных специалистов, основанном, среди прочего, на толковании ими действующего законодательства, по поводу которого дается заключение. Указанная точка зрения может не совпадать с точкой зрения руководства и/или специалистов Фонда Росконгресс, представителей налоговых, судебных, иных контролирующих органов, а равно и с мнением третьих лиц, включая иных специалистов. Фонд Росконгресс не несет ответственности за недостоверность публикуемых данных и любые возможные убытки, понесенные лицами в результате применения публикуемых заключений и следования таким рекомендациям.
