Сообщается, что на сегодняшний день это крупнейшая материаловедческая база данных эластомерных материалов в России. Также разработана программа для расчета теплофизических свойств полимерных композиционных материалов и имитационного моделирования поведения огне- и теплозащитных материалов. Все три инструмента станут цифровым помощником разработчика эластомеров, позволят в разы ускорить процесс создания новых материалов для многих отраслей промышленности.
Работа является частью проекта «Компьютерное материаловедение многокомпонентных наноструктурных эластомерных материалов с заданными свойствами для экстремальных условий эксплуатации».
Методы цифрового (компьютерного) материаловедения позволяют ускорить процесс создания материалов с заданными свойствами в несколько раз, при этом можно предсказывать структуру материалов, регулировать их свойства, оптимизировать технологические процессы, проектировать новые, уникальные, еще не существующие материалы и композиты.
Проект «Компьютерное материаловедение многокомпонентных наноструктурных эластомерных материалов с заданными свойствами для экстремальных условий эксплуатации» включает два этапа — разработку программно-информационного обеспечения нового поколения с использованием методов ИИ для решения задач компьютерного материаловедения эластомерных материалов и разработку новых эластомерных материалов с использованием созданных ПО, технологии их изготовления, создание технической документации и выпуск опытно-промышленных партий материалов.
В настоящее время завершены работы по первому этапу, начатые в 2024 году. Создан программно-аппаратный комплекс, состоящий из базы данных, программы для расчета теплофизических свойств полимерных материалов и модуля имитационного моделирования поведения материалов при экстремальных нагрузках.
Работа по проекту ведется большой группой специалистов — к работе привлечены специалисты также других вузов и промышленных предприятий. Координацию работ ведет Центр НТИ по новым функциональным материалам во главе с директором Центра Александром Квашниным.
Эластомеры (резины) — это полимерные материалы, обладающие высокой эластичностью. Используются в производстве авиационной и автомобильной техники, а также в судостроительной, нефтяной и других отраслях.
«Эластомеры — сложные по структуре многокомпонентые материалы, в состав каждого из них входит до 20 компонентов, находящихся в сложном физико-химическом взаимодействии. На разработку одного рецепта нового материала уходит не менее 6 месяцев и требуется порядка 1 млн рублей. Разных рецептур только в области резинотехнических изделий около 10000, и идет постоянная разработка сотен новых материалов, появляются новые ингредиенты. При этом эффективность многих материалов часто далека от необходимых требований из-за низкой проработанности. Сейчас создание материалов ведется в основном эмпирическими методами, количество экспериментов, проводимых в ходе разработки некоторых материалов, может превышать 10 тыс. В условиях стремительного развития многих отраслей такой подход неэффективен — проведение экспериментов стало дороже в десятки раз, а время разработки при эмпирическом подходе недопустимо большое. Таким образом, мы сталкиваемся с двумя проблемами, которые необходимо решать. Первая — это информационная, когда нам необходимо в короткие сроки найти нужный материал. Вторая — технологическая, когда нам необходимо ускорить процесс создания новых материалов, с большей точностью прогнозировать их свойства и моделировать поведение при воздействии различных внешних факторов. На решение этих двух задач и направлен наш проект»
рассказал Виктор Каблов, д.т.н., профессор Волгоградского государственного технического университета.
Создание банка данных является ядром разработки ВолгГТУ и НГУ. Сейчас в нем находится более 5000 рецептур эластомеров, при этом база продолжает расширяться. При включении рецептуры в банк данных специалисты проводят верификацию — проверяют, уточняют рецептуры и оценивают их качество. В базе отражены как ингредиенты (состав), так и свойства эластомеров, технологические режимы. На основе этих данных формируется справочник, в котором материалы группируются и классифицируются, что облегчает поиск и работу с базой.
Банк данных оснащен модулями машинного обучения и нечеткого поиска (на основе технологий искусственного интеллекта), которые позволяют находить закономерности в составах, обеспечивают получение зависимости «состав-свойство» и поддерживают блок автоматизированного проектирования материала. Такой интеллектуальный анализ данных дает возможность на основе информации о составе нового материала с высокой точностью (более 90%) спрогнозировать его свойства.
«Наша задача состоит в том, чтобы банк отвечал не только на вопрос, какой материал, но и на вопрос, каким образом его сделать. В результате такие банки становятся цифровыми станками в руках технологов. В моей практике были случаи, когда консорциумы опытных технологов не могли решить проблему с разработкой нового материала. Мы «вытаскивали» из банка данных имеющиеся решения и находили выход из ситуации. Таким образом, банк данных становится одним из важных элементов компьютерного материаловедения»
комментирует Виктор Каблов.
При отсутствии рецепта с заданными свойствами процесс создания («проектирования») нового рецепта предполагается вести с использованием интерактивной программы создания рецептур эластомерных материалов, которая использует базу данных свойств входящих в состав компонентов. Так как в рецептуростроении эластомерных материалов используется большое число компонентов, программа должна провести выбор наилучшего сочетания компонентов в составе (провести перебор большого числа вариантов (более ста тысяч) и выбрать оптимальный, что существенно облегчает и ускоряет процесс создания нового состава.
Следующий важный компонент компьютерного материаловедения — это программа для расчета теплофизических свойств полимерных композиционных материалов по химической формуле (рассчитывается до 16 свойств). Она используется для оценки свойств используемых компонентов. Программа содержит достаточно большую базу данных теплофизических характеристик компонентов, входящих в состав материала. При отсутствии справочных данных эти характеристики могут быть рассчитаны по программе прогнозирования характеристик по химической формуле.
«Такие свойства, как теплоемкость, теплопроводность, температура, плотность, можно рассчитать экспериментально. То есть взять определенный материал и провести испытания, но для этого требуется 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 — теплоемкость, теплопроводность, температуру и плотность»
говорит Виктор Коблов.
Еще один инструмент, над которым сейчас работают ученые, — это имитационное многофакторное моделирование на основе математических моделей, описывающих прогрев материала с физико-химическими превращениями по всему объему материала. Эта программа использует сложные многофакторные модели, позволяющие достаточно надежно рассчитать необходимую толщину теплозащитного покрытия, не прибегая к весьма дорогостоящим экспериментам с использованием установок с натурными реактивными двигателями.
ВолгГТУ и НГУ параллельно ведут работу по второму этапу, то есть созданию эластомеров, полимерных материалов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации — при высоких температурах, давлении, в сложных средах.
