Индекс цитирования Яндекс.Метрика

Люди практической науки

07.09.2017

Термический анализ – мощнейший инструмент в арсенале материаловеда

Интервью с ведущим научным сотрудником лаборатории полимерных связующих, клеев и специальных жидкостей ВИАМ, кандидатом химических наук Максимом Хасковым.

Интервью с ведущим научным сотрудником лаборатории полимерных связующих, клеев и специальных жидкостей Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), кандидатом химических наук Максимом Александровичем Хасковым.

Ученый использует широкий спектр методов термического анализа, постоянно расширяя нишу их применения, участвует в фундаментальных исследованиях по разработке сверхвысокотемпературных керамоматричных композиционных материалов и получении сложнопрофильных изделий на основе термореактивных связующих.

Кукурузник как источник научного вдохновения

Я родился в Пензе в семье химиков. Мама – доцент, преподавала на кафедре химии Пензенского государственного университета архитектуры и строительства. Папа возглавлял сектор в Пензенском научно-исследовательском институте физических измерений (НИИФИ), а затем руководил центральной заводской лабораторией на Пензенском заводе вычислительной техники (ПЗВТ). Отчасти благодаря родителям, мое знакомство с завораживающим миром химии началось еще задолго до школьных курсов. Тогда я, конечно, не пытался вникать, что за реакции происходят и как ими управлять. Просто был частым зрителем маминых фокусов по химии, когда из камня появлялись «фараоновы змеи», а на письменном столе извергался настоящий вулкан.

Дворовая компания по-своему способствовала интеллектуальному обогащению. Тогда целью было не столько понять процесс, сколько стремиться к тому, чтобы самодельная ракета на основе металлической емкости из-под аэрозоля и твердого «ракетного» топлива из селитрованной бумаги улетела на безлюдном пустыре как можно выше и дальше, а самодельная бомбочка из магнийсодержащих «внутренностей» списанного «кукурузника» Ан-2 взорвалась громче и эффектнее. Крылатый могикан авиации, выдающееся детище знаменитого советского авиаконструктора Олега Константиновича Антонова, старенький ржавеющий Ан служил местной детворе источником достаточно опасных развлечений. Не скучали мы и дома за многочисленными журналами: «Юный техник», «Техника – Молодежи», «Наука и Жизнь», «Знание – Сила», «Для умелых рук». Несомненно, все это способствовало развитию моего научного интереса. Но еще удивительнее – оглядываясь назад, я вижу, как в моей жизни постоянно и с самых ранних лет присутствовал ВИАМ. Ан-2, который в 2017 году отмечает 70-летие первого полета (и бьет свой же рекорд в Книге рекордов Гиннеса как единственный в мире самолет, выпускаемый уже более 60 лет), весь напичкан материалами, разработанными в ВИАМ: дюралюминий Д-16, магниевые сплавы МЛ5, МЛ12 и другие.

В НИИФИ мой отец участвовал в разработке датчиков для знаменитого «Бурана», в которых использовались клеи, созданные в ВИАМ. А мой прадед И.Т. Романов работал на заводе № 24 им. М.В. Фрунзе в Москве, где выпускали, в том числе, авиационные двигатели. Сейчас на его месте находится НПЦ газотурбостроения «Салют», где в настоящее время активно внедряются материалы, разработанные в ВИАМ, например, новейшие титановые и никелевые сплавы.

В 16 лет я пришел лаборантом-металлографом к папе в лабораторию. ПЗВТ был частью военно-промышленного комплекса и на нем планировали выпускать стратегические материалы. Поэтому завод в ту пору был оснащен по последнему слову техники, в большинстве своем иностранного производства. Там я впервые увидел приборы термического анализа (запомнился большой немецкий дериватограф с самописцем), электронный микроскоп, рентгеновский дифрактометр, элементный анализатор, атомно-абсорбционный спектрометр и многие другие, тогда как в рамках своей работы я готовил шлифы для металлографического анализа, оценивал размеры зерен металлических сплавов и т.д.

В Пензе под родительским крылом я беззаботно прожил до 18 лет. А затем был призван на срочную военную службу. Два года в Кирове, Московской области, а затем в Москве пролетели быстро. Помнится, как в карауле в каске с автоматом приходилось накручивать круги вокруг склада с ГСМ, кряхтя под 11-килограммовым бронежилетом 6Б5 «Улей». И снова невидимая связь с ВИАМ: ведь первый в СССР бронежилет 6Б1, который в этом году отмечает 60-летний юбилей принятия на снабжение в Вооруженные Силы СССР, разработали именно в ВИАМ на основе алюминиевого сплава Амг7, в лаборатории Иосифа Наумовича Фридляндера.

По примеру родителей высшее образование я решил получать в МГУ. Служба в армии давала преимущества поступления на подготовительные курсы Университета. Дембелям предоставляли общежитие и выплачивали стипендию. Проучившись полгода, я поступил на химфак, став победителем сначала первого заочного тура олимпиады «Ломоносов» и пройдя второй очный тур на заветные 17 баллов.

Построил библиотеку и положил туда диссертацию

В Университете я стремился прочувствовать полноту студенческого бытия не только в аудиториях и на практических занятиях, но и подрабатывая на каникулах курьером, грузчиком, оператором на химическом производстве графитовой фольги, а в передышке между дипломом и аспирантурой даже устроился в Стройотряд МГУ. Это была, конечно, местная московская стройка – строительство Фундаментальной библиотеки МГУ. Но поскольку один экземпляр диссертации, защищенной в МГУ, остается сейчас именно там, я могу, шутки ради, говорить, что строил эту библиотеку специально, чтобы положить туда свою диссертацию.

Университет я окончил, как любили шутить мои родители, с «синим лицом». Это шутка советская такая была, что МГУ оканчивают либо с синим дипломом, но с красным лицом, либо с синим лицом, но с красным дипломом, то есть с медалью, на которой выгравирована надпись: «DAT PRAEMIA LAUDI» – что-то вроде «награда за добродетели».

После Университета я поступил в очную аспирантуру и одновременно устроился в Институт новых углеродных технологий и материалов (ИНУМИТ) младшим научным сотрудником. В основном я занимался измерением термоаналитических свойств различных веществ методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и температуропроводности методом лазерной вспышки. Мои научные интересы были связаны с химией и физикой углерода и такими его аллотропными модификациями, как графит, фуллерены, углеродные нанотрубки и наноалмазы. Углерод – поистине уникальный элемент, заслуженно входящий в категорию «самый». Он может быть мягким – графит и использоваться в виде смазки, а может быть одним из самых твердых материалов на Земле – алмазом и применяться в самых «твердолобых» и «острозубых» коронках буровых установок. Он может характеризоваться высоким электросопротивлением, а в интеркалированных соединениях с пятифтористой сурьмой обладать электрической проводимостью выше, чем у металлической меди. Будучи в форме фуллерена и образуя фуллериды тяжелых щелочных металлов, углерод и вовсе обладает сверхпроводимостью. И в авиакосмической технике, кстати, не всегда удается найти альтернативу отлично зарекомендовавшим себя углерод-углеродным композиционным материалам (УУКМ). Именно УУКМ «Гравимол» и «Гравимол-В», разработанные совместно НИИ Графит, ВИАМ и НПО «Молния», в самых ответственных местах защищали орбитальный корабль МТКК «Буран» – гордость космической программы СССР.

Практически с самых первых моих курсовых работ я использовал методы термического анализа. И по сей день это один из основных видов моей деятельности в ВИАМ. Мой научный руководитель, заслуженный профессор МГУ, доктор химических наук Виктор Васильевич Авдеев был заинтересован в научном направлении моей диссертации «Реакции внедрения и карбидообразования в системах графит–литий и фуллерит (C60; C70) – литий». Он купил дорогой немецкий перчаточный бокс для работы с металлическим литием, выделил современный прибор ДСК – исключительно для моих целей. Более того, по рекомендации моего научного консультанта, одного из авторов перевода советского бестселлера по термическому анализу «Я. Шестак. Теория термического анализа: физико-химические свойства твердых неорганических веществ», к. х. н. Игоря Валентиновича Архангельского, отправил меня на стажировку в Германию в компанию Netzsch. Там я смог изучить приборную базу, которой еще не было в лаборатории и подготовить часть своей диссертации. Ознакомился и провел исследования на таких приборах, как синхронный термический анализатор с анализом выделяющихся газов методом масс‑спектрометрии и системы SKIMMER, изучил гидролиз карбидов с использованием парогенератора и термогравиметрии, вник в расчеты кинетики химических реакций из данных термического анализа и т.д. Например, опыт в области термического анализа, полученный в Университете, Netzsch, ИНУМИТе, ТИСНУМе и ВИАМе, позволил мне участвовать в адаптациях зарубежных стандартов ISO и ASTM по термическому анализу к российским нормативным документам ГОСТ Р. Я отвечал за научную «начинку», переговоры и оформление состоялись благодаря моим коллегам – С.Ю. Скрипачеву, А.В. Баканову, Д.С. Дориомедову, Е.Д. Пахомовой, Д.В. Сивкову, Л.А. Елютиной. Нормативные документы, которые ВИАМ и «Союз производителей композитов» разработали сообща, регламентируют такие измерения, как определение теплопроводности и теплоемкости методом лазерной вспышки и дифференциальной сканирующей калориметрии с температурной модуляцией, определение кинетических параметров химических реакций (как в изотермических, так и в квазиравновесных динамических условиях), термический анализ фторсодержащих полимеров, оценку «времени жизни» полимерных материалов методом термогравиметрии и др.

Замечу, что даже после окончания МГУ в 2003 году и защиты диссертации в 2008 году, я всегда ощущаю невидимую поддержку своей Alma Mater. Например, даже в нашей 12-й лаборатории я всегда могу обсудить текущие научные проблемы с выпускниками МГУ – к.х.н. А.А. Шимкиным или к.х.н. С.А. Пономаренко. А профессор МГУ, академик РАН, доктор химических наук Вячеслав Михайлович Бузник всегда в своем напряженном графике найдет время, чтобы выслушать, обсудить и дать бесценные советы для решения текущих научных задач.

От Древней Греции до красного каления

После защиты диссертации я перешел работать в Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ, г. Троицк), эта организация была юридическим оппонентом на моей защите. Лабораторией, куда я устроился, руководил мой научный оппонент д. х. н., лауреат премии Сасаки за достижения в области перспективных материалов Владимир Зальманович Мордкович. Я погрузился в разработку технологии получения волокон из углеродных нанотрубок. Эти соединения характеризуются уникальными физико-механическими свойствами, а прочность на разрыв бездефектной структуры от дефекта до дефекта может достигать 100 ГПа! Это позволяет вспомнить идею, предложенную еще Константином Эдуардовичем Циолковским, о возможности доставлять грузы, например, на орбитальную станцию, без космических кораблей, то есть идею о космическом лифте. Но отмечу: в настоящее время, после многочисленных неудачных попыток получения макроматериала хотя бы с близкими физико-механическими свойствами, появилось много скептических мнений вообще о перспективности использования углеродных нанотрубок для таких целей.

Тем не менее, еще в ТИСНУМе при работе с углеродными нанотрубками меня заинтересовали несколько публикаций о беспилотном водоплавающем аппарате (USV) «Пиранья» компании Zyvex Technologies, который, по заверениям авторов, обладая длинной в 16,5 метров и массой 3,5 тонны, может перевозить грузы массой около 7 тонн на расстояние свыше 4000 км без дозаправки топливом. Такие впечатляющие результаты грузоперевозок объяснялись изготовлением USV из углепластика на основе эпоксидного связующего, наномодифицированного углеродными нанотрубками (УН).

Возможно, движимый интересом к данному творению, я и пришел в лабораторию полимерных связующих в ВИАМ. Практически с самого начала работы в институте (с 2013 г.), помимо своих прямых обязанностей по решению текущих задач, я начал изучать влияние углеродных нанотрубок на кинетику отверждения эпоксидных смол, планируя издалека подойти к изготовлению так заворожившего меня материала.

В ВИАМ я продолжил свою научную карьеру в должности старшего научного сотрудника в лаборатории полимерных связующих, клеев и специальных жидкостей в группе термического анализа, где работаю и по сей день – уже ведущим научным сотрудником. Провожу измерения в основном неметаллических материалов упомянутыми выше методами термического анализа – ДСК, СТА с АВГ методом инфракрасной спектроскопии, динамического механического анализа, термомеханического анализа и диэлектрического анализа.

Термический анализ – измерение какого-либо свойства вещества при контролируемой температурной программе, будь то нагрев, охлаждение или изотерма, – мощнейший инструмент в руках материаловеда. Кстати, первое задокументированное упоминание об изучении изменения объема воздуха от температуры встречается еще у древних греков, а такой эксперимент по определению, рекомендованному в настоящее время номенклатурой ИЮПАК, и есть самый настоящий термический анализ. Хотя, конечно, и переход человечества из каменного в бронзовый век сложно представить без использования идеологии этого метода. Термоаналитические исследования позволяют нам окунуться в мир термодинамики и кинетики различных химических и физических процессов, что является незаменимым, например, при оптимизации режимов отверждения термореактивных матриц, расчете теплопереноса при эксплуатации или получении различных материалов, в прогнозировании температурных интервалов их применимости. Современная экспериментальная база ВИАМ в области термоаналитических исследований позволяет на высочайшем уровне решать задачи, возникающие сегодня перед институтом. Например, разработка полимерных связующих и условий их отверждения в составе ПКМ, входной и выходной контроль продукции ВИАМ, разработка всевозможных материалов, начиная от флюсов для выплавки магнийсодержащих сплавов и заканчивая фторсодержащими материалами для использования в условиях Арктики. Все эти задачи требуют использования современного экспериментального термоаналитического оборудования.

Среди работ, в которых я участвую с коллегами по моей лаборатории и лаборатории стеклопластиков (например, Д.А. Мельниковым, Л.А. Дементьевой, Е.А. Котовой и др.), исследования в области оптимизации режимов отверждения термореактивных матриц с учетом масштабного фактора. Эта работа возникла, потому что было необходимо уточнить физико-механические характеристики термореактивных связующих. Для этого нужно получить достаточно массивную отливку из отвержденного связующего, толщиной от 10 до 25 мм и длиной до 110 мм. Выделяемое при отверждении существенное количество тепла, при низких значениях теплопроводности и теплоемкости полимерной матрицы и некорректном выборе режима, может вызвать саморазогрев изделий с их термическим разложением и полной потерей эксплуатационных свойств. Задача усложнена еще и тем, что в отличие от пластиков, армированных непрерывными волокнами, где содержание связующего обычно варьируется в интервале 30–40 масс.%, удельное тепловыделение чистого связующего в 2–3 раза выше, причем эффективная теплопроводность для углепрепрега в несколько раз больше, даже в направлении, перпендикулярном армирующему слою.

Вообще, термореактивные полимерные связующие могут являться матрицей для полимерных композиционных материалов (ПКМ), роль которых в современной авиакосмической промышленности неоспорима. Так, все современные флагманы авиастроения, будь то Boeing 787 Dreamliner или AIRBUS 350 WXB, имеют на своем борту свыше 50% ПКМ, а в нашем российском ближне-среднемагистральном самолете МС-21 ПКМ свыше 30%. К слову сказать, один из вариантов «сердца» МС-21, турбовентиляторный двигатель ПД-14, надежно защищен мотогондолой из углепластика на основе связующего ВСЭ-1212, разработанного в ВИАМ. Причем входной и выходной контроль этого связующего термоаналитическими методами входит в мои «рутинные» обязанности. И если термореактивные связующие отверждаются под действием тепловой энергии, то фоточувствительные материалы, полимеризующиеся, например, под действием ультрафиолетового излучения, могут быть использованы и для лазерной стереолитографии, то есть разновидности аддитивных технологий, развитие которых в России происходит в настоящее время при неоспоримом лидерстве ВИАМ.

Достаточно времени, в частности и как научный руководитель, я посвящаю фундаментальным исследованиям по разработке сверхвысокотемпературных керамоматричных композиционных материалов в рамках поддержанного РФФИ проекта «Исследование влияния условий формирования интерфазного покрытия и матричного материала на структуру и свойства сверхвысокотемпературного конструкционного керамоматричного композита класса C/(Zr-Si-C)». Подчеркну: важность материалов, способных сохранять свои эксплуатационные свойства при сверхвысоких температурах, сложно переоценить. Например, температура пламени при сгорании жидкого топлива на основе гептила (1,1-диметилгидразина, НДМГ) и димера двуокиси азота (АТ), на котором летают наши «Протоны», при определенных соотношениях НДМГ и АТ может достигать 3100°С, а при сгорании жидкого кислорода и этилового спирта температура может подниматься свыше 3600°С. Вообще актуальность отечественных разработок материалов и технологий нового поколения в современном мире неоспорима, что, в частности, подчеркивает Генеральный директор ВИАМ, академик РАН Евгений Николаевич Каблов в своей статье «Не попасть в технологическое рабство».

Специалист ВИАМ – это порядочность, «армированная» упрямством, и здоровый скептицизм

В ВИАМ много как молодых талантливых ребят, так и умудренных опытом «аксакалов» науки. Поэтому достаточно легко можно организоваться в научный коллектив для решения не всех, конечно, но многих научных задач, причем как в рамках выполнения госзаказов или исследований по грантам, так и для решения текущих задач научно-исследовательской деятельности института.

При этом поражает, как только хватает времени, особенно у руководства института, принимать участие в иных, далеких от науки проектах. Проезжая иногда на велосипеде по Парку Победы в Москве, я останавливаюсь около памятника «Героям и Воинам, павшим в годы Первой мировой войны», на установку которого институт выделил миллион рублей. ВИАМ стоит в почетном списке «Особая благодарность» на веб-ресурсе Российского военно-исторического общества. С моей точки зрения это очень показательная инициатива Института и его руководства, ведь Первая мировая война оказала колоссальное влияние на нашу страну и стала предтечей двух революций и, наверное, одного из самого страшного, что можно пожелать Русской земле – Гражданской войны.

Любое обострение гражданского противостояния затрудняет научную коммуникацию. Из-за непростых международных отношений сегодня частично «заморожено» мое научное хобби. Еще с первого курса университета я сотрудничаю с Азовской научно-исследовательской станцией (АНИС), в область научных интересов которой входит, в частности, изучение акваторий северного побережья Азовского моря. Долгие годы в АНИС частыми и желанными гостями были специалисты из МГУ и других вузов: геологи, биологи, географы и др. Я же более подробно занимался радиоэкологией под руководством Заслуженного профессора МГУ Игоря Николаевича Бекмана. На северном побережье Азовского моря нередко встречаются следы интересного природного феномена – россыпей монацитовых или, как их еще называют, «черных» песков. Так, если допустимый радиационный фон ионизирующего излучения составляет 25 мкР/час, то в скоплениях «черных» песков в некоторые годы уровень радиации может доходить до 900–1000 мкР/час. Мы измеряем радиационный фон побережья, картируем накопления «черных» песков и пытаемся, в частности с ответственным исполнителем АНИС сотрудником кафедры радиохимии МГУ Георгием Борисовичем Рязанцевым, информировать население, например через веб-ресурс secology.ru, или участвуя в различных мероприятиях, например на Фестивале Науки в МГУ.

Г.Б. Рязанцев – автор достаточно оригинальной идеи трехмерной визуализации Периодического закона химических элементов. Я попробовал изобразить его сам. Предлагаемая трехмерная визуализация логично выстраивается из последовательного и непрерывного ряда химических элементов, причем «лепестки» на этом «цветке Менделеева» представляют собой отдельно s-элементы, отдельно p-элементы и т.д. Когда мы знакомим посетителей стенда с «цветком», многие восклицают: «Эх, а что же нам в школе так не показывали...». Впрочем, ни одна теория не остается без оппонентов. Так, профессор МГУ, д.х.н. Бабаев Евгений Вениаминович утверждает, что Периодический закон многомерен, а «цветок» – всего лишь его проекция на орбитальное квантовое число, но «симпатичная».

В свободное от работы время я люблю покататься на лыжах, коньках, промчаться на велосипеде, недавно поднимался на Западную вершину Эльбруса. Люблю посидеть с хорошей книгой. Что бы я ни делал, я, конечно, ассоциирую себя с семьей ВИАМ, замечая много общих черт в людях, которые здесь работают. Говоря о коллегах, хотелось бы процитировать ведущего сотрудника ЦАГИ, лауреата Государственной премии СССР, д.т.н. Якова Моисеевича Пархомовского. В статье «Кому быть ученым?» («Наука и Жизнь», № 7, 1989) он рассуждает о качествах, необходимых научному работнику. В первую очередь называет «порядочность, упрямство и здоровый скептицизм». Под порядочностью подразумеваются такие «старомодные» теперь понятия как честность, мужественность, совестливость, справедливость. Плюс «ослиное упрямство» в достижении научных целей, а также здоровый скептицизм. Учитывая современную экспериментальную базу и уникальный научный задел института, все это позволяет надеяться на совершенно новый виток развития авиакосмической отрасли при непосредственном участии ВИАМ.