Керамика на заказ: как учёные СФУ работают на импортозамещение

 В мае прошлого года СМИ сообщали, что учёные кафедры ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии» Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ создали опытный образец высокопрочного материала из диоксида циркония. Речь шла о возможной альтернативеимпортному материалу для производства имплантантов, горнодобывающего оборудования и микроэлектроники. Тему импортозамещения коллектив продолжает и сегодня.

— Фундаментальные исследования в области радиотехнической керамики мы проводим уже 20 лет. Эти материалы находят широкое применение в беспилотных автомобилях, водном транспорте, а в будущем — в авиации. Стабильные навигационные системы играют здесь главную роль, — говорит кандидат технических наук, заведующий кафедрой ЮНЕСКО Игорь Васильевич Карпов. — Прошлой весной партнёр СФУ предприятие «Радиосвязь» открыло лабораторию керамических материалов. С самого начала наш коллектив активно участвовал в её создании. Постепенно мы подключились к решению задач, которые возникают у завода из-за введения санкций. На основе оксидной керамики мы разрабатываем многофункциональные материалы, которые предприятие может использовать для производства своих изделий. Чтобы минимизировать риски, связанные с импортными поставками (задержки и низкое качество материалов), мы обеспечиваем полный цикл производства — от получения сырья до изготовления конечного продукта.
Сейчас коллектив во главе с И.В. Карповым работает по двум грантовым проектам, имеющим прикладное значение и рассчитанным на три года. Первый — от Красноярского научного фонда (софинансирование в размере 50% обеспечивает предприятие «Радиосвязь»). Средства выделены на исследование и разработку новых видов специальной керамики для создания высокоэффективных (плоских и компактных) patch-антенн, применяемых в навигационных системах. Для этого необходимо синтезировать исходные компоненты— порошки оксидов металлов. Учёные получают их как вакуумно-дуговым методом (оборудованием располагает лаборатория кафедры), так и с помощью химического синтеза (осаждение, гидротермальный синтез, золь-гель технологии).

Второй грант — это пилотный проект в масштабе страны, запущенный Российским научным фондом (РНФ) совместно с Краевым фондом науки и «Радиосвязью» при поддержке губернатора Красноярского края. Предстоит разработать керамические материалы с межзерновыми изолирующими слоями для однослойных конденсаторов, применяемых в микроэлектронике. При перепадах температуры такие конденсаторы должны сохранять заданную ёмкость.

— Если говорить о керамике для patch-антенн, то там используются материалы на основе титаната магния и титаната кальция с легирующими добавками, — поясняет И.В. Карпов. — А для микроэлектроники (GBBL-керамика) — это титанат стронция. Когда мы туда вводим различные добавки, модифицирующие компоненты, то свойства, в том числе диэлектрическая проницаемость, ёмкость, меняются. До введения санкций для производства однослойных конденсаторов предприятие «Радиосвязь» закупало готовые пластины у американской компании JOHANSON TECHNOLOGY. Теперь мы создадим аналоги.

В рамках гранта коллектив планирует приобрести новое оборудование. Поскольку это связано с потребностями НПП «Радиосвязь», то предприятие покупает для исследователей дорогостоящий дифрактометр — прибор для определения фазового состава материалов. В СФУ есть такие приборы, но они слишком загружены. Новый дифрактометр установят в лаборатории кафедры ЮНЕСКО.

— Кроме того, завод «Радиосвязь» закупил дорогостоящую сушильно-грануляционную установку российского производства «АТОМ-5». Она крайне необходима для производства керамики, — рассказывает Игорь Карпов. — Предназначена для гранулирования порошков и подготовки пресс-массы. Конструкция громоздкая, установлена на площадях предприятия. Оборудование сокращает цикл подготовки пресс-массы и улучшает свойства конечных изделий. Без этой установки пришлось бы всё вручную перемешивать, добавлять, протирать сквозь сито. Были бы неточности, потери, увеличенный расход сырья, и в целом процесс занял бы гораздо больше времени. С «АТОМ-5» в течение двух часов можно получить пресс-массу для изготовления двадцати, а то и больше образцов разного состава.

В ближайший год учёные сосредоточатся на оптимизации технологий синтеза и спекания керамики. Поэтому планируют на средства гранта приобрести ещё и дилатометр — прибор для измерения коэффициента линейного расширения. Он не только фиксирует изменения объёма материала в зависимости от температуры, но и помогает исследовать процессы, происходящие при нагреве до 1500 .

— Наша цель — разобраться в этом процессе, чтобы оптимизировать технологию производства: понять, на каком этапе лучше сделать паузу (выдержку), а когда можно заканчивать нагрев, чтобы в материале полностью завершились все фазовые переходы (изменения внутренней структуры), — поясняет завкафедрой. — После успешного спекания мы получаем готовый материал с заданными свойствами, который можно дополнительно обрабатывать механически или сразу использовать по назначению.

Будет закупаться и другое оборудование: синхронный термический анализатор, импедансметр.

В работах по обоим грантам принимают активное участие студенты и аспиранты. Например, в проекте patch-антенны 80 процентов участников гранта — молодёжь. В исследованиях также заняты учёные других институтов и кафедр СФУ. Например, от Института цветных металлов — доктор химических наук, профессор Александр Фёдорович ШИМАНСКИЙ и кандидат химических наук Любовь Тимофеевна Денисова.

Для справки. Международная кафедра ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии», созданная в 2001 году, входит в консорциум кафедр ЮНЕСКО в Сибири (вместе с вузами Новосибирска, Иркутска и Горно-Алтайска). Коллектив ведёт как фундаментальные исследования, так и прикладные разработки. В настоящее время сотрудничает с Харбинским политехническим институтом (Китай) и Восточно-Казахстанским государственным университетом (Усть-Каменогорск).

«У нас есть чёткая цель — создать материалы, отвечающие требованиям заказчика, к которой мы идём своим путём, — отмечает руководитель проекта. — И по качеству наши разработки соответствуют мировым стандартам».