Керамика: от алхимии до ракетостроения

Мы привыкли видеть керамику в виде посуды на столах и горшков с цветами. Однако у этого материала обширная сфера применения. Из керамики изготавливают украшения, строительные материалы, например, облицовочную плитку и кирпич, фарфоровую и глиняную посуду, режущие инструменты, детали химического и металлургического оборудования, уплотнители насосов, работающих в условиях абразивного изнашивания и даже детали двигателей и ракет. Всё благодаря уникальным свойствам керамических материалов. Керамика обладает высокой температурой плавления, а также большими значениями твердости и  степени упругости. Подробнее о сферах применения керамических материалов рассказывает декан факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов Дмитрий Лемешев.

— Прежде всего, хочется поговорить о керамике. Когда обычный человек слышит это слово, он, скорее всего, представляет посуду, возможно, цветочные горшки, максимум кирпичную кладку. Что значит керамика для химиков?

— Керамика — это один из древнейших материалов на службе у человека. С другой стороны, это современнейший материал, который позволяет решать многие задачи материаловедения, реализовывать такие свойства, которые недоступны ни композитам, ни металлам, ни пластикам.

Все дело в уникальной структуре керамических материалов, их поликристаллическом строении. Поэтому керамика сегодня — это обширный класс материалов: от самых простейших, например, глин, из которых мы делаем кирпич, черепицу, посуду и прочее, до сложнейших материалов на основе карбидов, боридов, оксидов редкоземельных и тугоплавких металлов, которые позволяют работать на переднем крае науки о материалах.

— Вы упомянули, что керамика обладает особой поликристаллической структурой. Что это значит?

— Керамика состоит из набора мельчайших частиц, зерен, которые плотно связаны между собой при термообработке за счет процесса спекания: в основном, жидкофазного или твердофазового. Благодаря этому формируется высокая прочность связей между частицами, что и определяет свойства керамики.

На самом деле керамика и металлы близки друг другу по структуре. Например, металлы также бывают поликристаллическими, различаются по строению и структуре. Но принципиальное различие в том, как образуются или растут кристаллы. Если металлы обычно подвержены кристаллизации по винтовой дислокации, то кристаллы керамики растут по так называемой краевой дислокации, когда происходит наслоение. Это определяет ее уникальные свойства. Керамика может быть одновременно и прочной, и в некоторых случаях упругой. И что самое главное, благодаря цепочке «состав — структура — свойства» ученые и технологи могут закладывать в материал необходимые свойства.

Поэтому сегодня керамика — это действительно уникальный материал, который продолжает двигать человечество вперед по линии прогресса, новых технологий.

— А когда химики обратили на него внимание?

— Думаю, что во времена, когда еще химиков как таковых не существовало. А были предки современных химиков — алхимики, которые пытались разгадать секрет фарфора, тогда еще уникального материала, который умели производить только в Китае. И стоил он дороже золота.

Европейские алхимики долго бились над его формулой, свойствами и структурой. Именно здесь и появились зачатки понимания — что такое керамика и как с ней работать. Так, немецкий придворный алхимик Иоганн Фридрих Бёттгер упорно трудился над решением вопроса о нужном составе твёрдой фарфоровой массы. Он открыл способ термообработки глины для получения плотного спекшегося тела. Бёттгер понял, что при смешивании белой глины — каолина — с песком получается то самое фарфоровое тело, которое можно использовать для формования и создания дорогой посуды.

Вообще представления о керамике появились в момент, когда люди начали строить дома. Мне кажется, если покопаться в какой-нибудь римской библиотеке, то, наверняка, найдется глиняная дощечка с описанием процесса изготовления кирпичей, из которых римляне строили свои сооружения. С научной точки зрения все началось с книги Августиника «Керамика», которая была опубликована в середине прошлого века. А если брать историю РХТУ, то в 1923 году Московское промышленное училище стало техникумом, что привело к образованию двух кафедр: технологии неорганических веществ и общей химии. А уже в 1933 году появился факультет химической технологии силикатов, который по факту и занимался как раз-таки разработкой керамики, стекла и вяжущих материалов. Поэтому в нашем университете этой тематике почти 100 лет.

— Каковы современные области применения керамики?

— Со студентами на лекции я играю в такую игру: назовите хотя бы одну область промышленности, где не используется керамика. Начиная черной металлургией, заканчивая авиацией, космонавтикой, ядерной и термоядерной физикой — везде используется керамика.

Кстати сказать, существует даже оптически прозрачная керамика, которая используется, например, при создании твердотельных лазеров. Такие лазеры применяют для обжатия смеси дейтерия и трития и запуска контролируемого термоядерного синтеза.

— Расскажите о других видах высокотемпературных материалов.

— Научное сообщество выделяет несколько видов неорганических материалов, работающих при высоких температурах. Среди них вяжущие и композиционные вяжущие материалы. Самый простой пример — обычный цемент, использующийся при строительных работах. Но есть и композиционные, алюмомагнезиальные, алюминатные цементы, которые работают при температурах порядка 1700-1800 градусов Цельсия. Они используются, например, для крепления плиток, для теплозащиты космических кораблей и спускаемых аппаратов.

Другой пример —  стекла, как в привычном строительном формате, так и специальные высокопреломляющие стекла, которые используются в качестве линз, в качестве окон подбора мощности и пр.

Помимо этого существует так называемый ситалл — кристаллизованное стекло, обладающее набором уникальных свойств. Или — астроситалл, который обладает практически нулевым термическим коэффициентом линейного расширения и используется в качестве подложки для зеркал телескопов. В астрономии важна точная, выверенная геометрия зеркала, ведь любое изменение температуры приводит к деформации материала. Поэтому высокотемпературные материалы так активно используются в данной отрасли. И, конечно, нельзя не сказать о традиционной керамике, которая также используется при температурах от 100 до 3000 градусов Цельсия.

— В рамках Года науки и технологии в России в апреле мы вспоминали достижения отечественной космонавтики, сферы ракето- и авиастроения. Что здесь могут предложить ученые, работающие с новыми высокотемпературными материалами?

— Специалисты, которые занимаются разработками новых керамических материалов уже предложили решение, например, для гиперзвуковых ракетных комплексов. В свое время развернулась настоящая технологическая гонка между отечественными и зарубежными учеными, кто первым создаст материал для кромки воздухозаборника таких аппаратов. Ведь, чем выше скорость, тем выше нагрев на кромке воздухозаборника. Коллегам из России удалось создать такой материал, который устойчив к нагрузкам, возникающим при гиперзвуковых скоростях — выше 8-10 М. Сегодня стоит задача сделать еще более стойкий материал, чтобы существенно увеличить скорость полета.

Если говорить о гражданском применении, то российские специалисты строят двигатели для самолета МС-21. Это линейка современных двигателей, чье создание не обходится без керамических и композиционных материалов. В целом тенденции в области разработок газотурбинных двигателей направлены на увеличение количества композиционных, в том числе и керамических материалов.

Поэтому современные ученые работают на опережение, закладывая в узлы, в агрегаты, в материалы свойства, которые будут востребованы через несколько лет и даже десятилетий. В этом и состоит основная задача ученых-материаловедов — разработать не только материал, но и технологию получения этого материала, которая бы обеспечила конкурентное преимущество на несколько десятилетий.

— У государства есть интерес к каким технологиям?

— Конечно. Это не столько вопрос независимости, сколько жизнеспособности нашей страны. Мы можем сколько угодно говорить о добрососедских отношениях, о дружбе с каждым партнером, но в первую очередь необходимо думать о защите наших граждан. Именно поэтому многие специалисты работают над комплексом защитных мер, включающих в себя, в том числе и ракетную технику.

И не секрет, что все новые технологии приходят из оборонной промышленности. Все разработки, связанные с высокотемпературными материалами, в основном направлены на оборонно-промышленный комплекс. Но пройдет несколько лет, и они начнут «спускаться вниз» в гражданский сектор, что приведет к еще большему интересу ученых, которые сейчас заняты другими задачами материаловедения.

— Если говорить о космонавтике, может ли керамика решить проблему радиационного воздействия?

— На сегодняшний день существует керамика специального назначения для атомных объектов. Здесь используются другие оксиды, бескислородные соединения и так далее. Подчеркну, что ученые, создающие новые материалы, всегда разрабатывают материал под конкретную задачу. Если появится задача создать материал, устойчивый к радиации, способный работать в высоких нейтронных полях, с ионизирующим излучением, такие свойства сразу будут закладываться в структуру материала.

Но нельзя сказать, что керамика для атомной промышленности будет хорошо работать в космонавтике. В данном случае материалы с необходимыми свойствами разрабатываются отдельно.

— Какие современные материалы сегодня наиболее востребованы?

— На самом деле, универсальных материалов не существует. Есть те, которые созданы для решения конкретной задачи. И тут выбор всегда стоит между функциональностью материала, простотой изготовления и, как это ни печально, стоимостью материала. Мы можем создать керамику, которая будет обладать любым свойством. Но вопрос в том, будет ли она востребована.

Скажем, мы создадим супертвердую и суперпрочную керамику, которая будет сопротивляться любому воздействию кинетического тела. Казалось бы, из такой керамики можно создать самолет, который никогда не разобьется. Но стоимость такой керамики будет просто феноменальной. Значительно проще использовать другие, более легкие материалы, например, композиционные материалы на основе углерод-титановых волокон. Именно в этом направлении развивается сфера авиационной техники, где большую часть металлических панелей заменяют композиционными.

Если рассуждать глобально, то будущее материаловедения за композиционными материалами. Потому что только они могут сочетать в себе прочность металлов и легкость пластиков.

— Как создаются современные материалы? Каким инструментарием пользуются ученые-материаловеды?

— Помимо большого объема литературных данных, которые публикуем мы и наши коллеги, существуют программные комплексы разработки и оценки структуры свойств материалов. Прежде всего, необходимо правильно сформулировать задачу: понять все условия, при которых материал будет работать, будь то керамика, композиционный или конструкционный материал. Важно выделить все факторы, которые будут воздействовать на этот материал. После определения области использования и воздействующих факторов, мы экстраполируем эти факторы на свойства материалов. Скажем, материал должен выдержать резкий нагрев от минус 50 градусов до 1000 градусов. Значит, нужно обеспечить высокую термостойкость материала.

Узнав свойства, мы определяем структуру материала. И уже на стадии его формирования специалисты закладывают перечисленные свойства и факторы, которые воздействует на материал, а также исходные компоненты, из которого материал будет создан.

— А какие приборы используются для этого?

— Например, для исследования структуры поверхности используются профилометры, атомно-силовые микроскопы. А для исследования внутреннего строения материала применяется электронная микроскопия — просвечивающая, сканирующая, а также туннельные и атомно-силовые микроскопы. В общем, вариантов очень много. От простейших инструментов типа аналитических весов до сложных, например, рентгенофлуоресцентных спектрометров.

— Какие исследования по этой тематике ведутся в РХТУ? Привлекаете ли вы студентов и молодых ученых к этой работе?

— Конечно. Например, на нашем факультете практически все кафедры работают с новыми материалами, в том числе для авиации и космонавтики. Это могут быть стекла для иллюминаторов или оптических приборов, керамические материалы для теплозащиты или для  подшипников, кромок, высокотемпературные вяжущие материалы для работы при высоких температурах, элементы микроэлектроники, которая используется в авиации, космонавтике, кристаллы, которые используются в качестве подложек и готовых изделий микро- и наноэлектроники.

Сегодня мы активно сотрудничаем с государственной корпорацией «Роскосмос». Некоторые кафедры имеют тесные контакты с Всероссийским институтом авиационных материалов (ВИАМ) — одним из ведущих институтов, разрабатывающих авиационные материалы. Многие выпускники РХТУ работают в ВИАМе. Мы всячески поддерживаем их, поскольку эта работа — важный вклад в реальные технологии и материалы, которые востребованы и используются при создании современных двигателей. Мне кажется, это правильно.

— Оцените, несколько большой интерес у молодежи к таким технологиям и к новым материалам?

— Как мне кажется, интерес довольно большой, особенно в сфере авиации и космонавтики — наиболее романтичных областях применения новых материалов. В детстве каждый мечтает, если не быть космонавтом, то хотя бы постоять рядом с огромной ракетой или самолетом. Поэтому интерес к этой отрасли действительно высок. Тем более, что Россия — один из лидеров в космонавтике, авиа- и ракетостроении.

— Насколько стремительно меняется образовательная часть? Появляются ли новые дисциплины и программы?

— Образование сегодня — сфера очень динамичная. В РХТУ мы стараемся давать студентам знания для решения конкретных задач в выбранной ими отрасли. При этом некая ступенчатая основа присутствует. В бакалавриате студент получает общие знания, то есть фундаментальную основу, на базе которой может развивать дальнейшую карьеру.

Наиболее концентрированные и специализированные знания мы даем в рамках программ магистратуры. И здесь ежегодно мы стараемся модернизировать образовательную программу, перерабатывать и наполнять существующие дисциплины.

И, конечно, важна работа в связке с корпорациями и предприятиями, которые обеспечивают работу тех или иных отраслей. Благодаря практике предприятия могут обновлять кадры, а студенты глубже погрузиться в профессиональную тематику.

— Когда и почему вы заинтересовались этой тематикой?

— В РХТУ я поступил, потому что вся моя семья окончила этот университет, обучаясь на кафедре химической технологии керамики и огнеупоров. Я — представитель третьего поколения химиков в семье, поэтому выбора особо и не было, а кафедра была определена, можно сказать, еще до рождения.

Когда встал вопрос о выборе темы, я попытался понять, что собой представляет керамика, и в каких отраслях она применяется. Прочитав множество статей и книг, я понял, что керамика существует практически везде. Однако меня привлек определенный класс материалов, который представляет собой квинтэссенцию всей керамики — оптически прозрачные керамические материалы. Они используются сегодня в разных отраслях, но раньше в основном применялись в лазерной технике и в атомной промышленности.

Мне стало интересно, как создается прозрачная керамика. Это и определило выбор темы и научного руководителя, а в дальнейшем — мою научную судьбу на следующие 5-7 лет.

В РХТУ в то время уже сложилась сильная научная школа, основанная Евгением Степановичем Лукиным, доктором технических наук, который одним из первых в нашей стране занялся разработкой оптически прозрачной керамики и с успехом решал эту задачу. Именно под его руководством я защитил кандидатскую диссертацию.

В дальнейшем я продолжал работать над этой тематикой, что привело в конечном счете к развитию технологии получения прозрачных керамических материалов, за что в 2019 году я получил премию правительства города Москвы молодым ученым в области авиационно-космической техники.

— Что бы вы пожелали молодым ребятам, студентам, которые только начинают этот путь? На какие виды новых материалов им следует обратить особое внимание?

— Я бы хотел пожелать — не останавливаться. Все просто. Человек развивается, когда он куда-то двигается.

И, конечно, не нужно бояться расшибить себе лоб, пытаясь открыть двери, которые вроде как открыты, но на самом деле они закрыты. Когда мы встаем на какой-то путь, у нас появляется выбор. Часто можно услышать, что перед выпускником университета открыты все двери — это не так. Двери, как правило, закрыты. Но не надо бояться стукнуться в эту дверь. Не надо бояться, что двери не откроются. Может нужно просто постучать посильнее или попробовать другую дверь.

Что касается выбора научных направлений, то здесь всегда нужно помнить об ускоренном развитии науки. Выражение о вычислительных технологиях, что каждые 10 лет их мощность удваивается, верно и для любой другой отрасли. Технологии меняются, они динамичны.

Но главное то, что в слове технология есть корень логос — наука. Любая технология — это не просто какая-то абстрактная вещь, это действительно наука, которая развивается стремительно. Поэтому я бы пожелал молодым ученым заниматься тем, что им интересно, тем, в чем они сами видят перспективу. Интуиция ученого очень много значит.

Но, конечно, важна и капелька удачи, ведь интуиция без удачи — бесполезна.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования и Российской академии наук.