Эксперименты Института машиноведения им. А. А. Благонравова (ИМАШ) РАН показали, что инструменты на основе наноструктурированного композиционного материала из диоксида циркония превосходят стальные аналоги в остроте и надёжности.

В ИМАШ полагают, что в будущем новый материал потеснит сталь по ряду позиций и прочно займёт свою нишу во многих отраслях промышленности. О надеждах учёных, связанных с цирконием, рассказывает заведующий лабораторией ИМАШ Валерий Алисин.

Разрыв в два года

Почему именно диоксид циркония стал основой для синтеза нового материала?

— Динамика развития машин связана с тем, что они всё больше нагружаются, так как постоянно повышаются требования к их производительности. Один из важнейших путей, способствующих росту эффективности автоматического труда, а следовательно, и техническому прогрессу, связан с использованием новых материалов. По ходу нашего проекта авторский коллектив в составе Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН и Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН совместно с производственными предприятиями именно этим и занимался: учёные создавали новую «ткань» – композиционный материал на основе наноструктурированных кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония. Выбрали диоксид циркония в качестве базы потому, что он обладает очень высокой трещиностойкостью и хорошим сочетанием триботехнических и прочностных характеристик, повышающих надёжность и ресурс работы узлов трения. Опуская технические детали процесса, скажу, что в результате удалось создать наноструктурированные кристаллы и получить на их основе промышленное производство. Затем были созданы заготовки фильеров для получения проволоки, втулки подшипников скольжения, медицинские скальпели. Все эти разноплановые изделия прошли испытания на отраслевых производствах.

Рис. 1. Валерий Алисин: «Наноструктурированный материал на основе диоксида циркония имеет доменную структуру, там нет границ зёрен, поэтому степень остроты скальпеля из него выше в несколько раз. Подобный скальпель практически вечен».

Есть ли похожие технологии за рубежом?

— На мой взгляд, у нас более эффективная технология производства материалов: по характеристикам механических свойств наши материалы лучше, а их себестоимость – ниже. Похожие работы проводятся и за рубежом, но мы впереди по времени. Там только представляют публикации по исследованию аналогичных материалов, а мы уже готовы изделия в производство запустить. Конечно, очень печально, что наш запас сохранится недолго: я оцениваю разрыв примерно в два года, не более.

Нетравматичный скальпель

В чём выигрывает конкретное изделие из нового материала, к примеру, медицинский скальпель, по сравнению с его традиционным аналогом?

— Сам по себе скальпель – это инструмент для разрезания биологических тканей, качество которого напрямую связано с остротой лезвия, то есть чем он острее – тем лучше. Сейчас его делают из стали, штучные экземпляры для офтальмологии – из алмаза. Обычный металлический инструмент недолговечен, он быстро затупляется, поскольку металл имеет структуру зерна и растворяется в крови человека. А наноструктурированный материал на основе диоксида циркония имеет доменную структуру, там нет границ зёрен, поэтому степень остроты скальпеля из него выше в несколько раз. Подобный скальпель практически вечен, так как он химически инертен, и при любом типе стерилизации острота его не меняется. Получается, по двум факторам – острота и долговечность – «наноинструмент» выигрывает. Острота даёт минимальный травматизм при хирургической операции, что приводит к быстрому заживлению и тонкому малозаметному послеоперационному шву.

Когда «наноскальпели» поступят в серийное производство?

— В первую очередь, когда найдутся средства на эти цели. Уверен, на потоке скальпели из диоксида циркония не будут сильно отличаться от металлических по цене. Собственно, расход материала на лезвийную часть составляет небольшой процент от стоимости всего инструмента. Если же сравнивать с алмазными аналогами, которые сопоставимы по эксплуатационным характеристикам с нашими скальпелями, то наш будет существенно дешевле.

Конечно, мы планируем продвигать «наноскальпель» в серийное производство, но прежде необходимо решить такие сопутствующие вопросы, как формирование торгового бренда и стоимость продукта. Преобразить традиционный скальпель – это замечательно, но всё же мы живём в XXI веке и прекрасно понимаем, что более реальные перспективы привлечения внимания производителя и потребителя имеют оригинальные инструменты. Сейчас на них и делается ставка: совместно с ООО «Новые энергетические технологии» разрабатывается новый инструмент – биполярные электрохирургические ножницы с режущими пластинами из кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония, позволяющие за счёт наложения определённого электрического поля производить практически бескровные операции. Если человека будут оперировать при помощи этого инструмента, то он быстрее восстановится, раньше выпишется из больницы. Работа, связанная с этими ножницами, проводится совместно с медиками, в частности из Московского областного НИИ акушерства и гинекологии, Московской медицинской академии им. И. М. Сеченова, других медицинских учреждений.

На Ваш взгляд, готова ли промышленность к производству изделий на основе диоксида циркония?

— Поскольку базовые вопросы решены, значит, можно развивать производство. Но здесь, конечно, есть некоторые нюансы: требуется переориентация предприятий на выпуск инновационной продукции, информационная работа с инженерами, а также студентами вузов. Чтобы все понимали, что использование втулок из диоксида циркония в машинах будущего позволит добиться такого-то эффекта; что медицинский прибор из этого материала лучше стального и так далее. Материал ещё должен пройти испытания, что тоже займёт время. Ведь конструктору приносят десятки идей, и авторы каждой из них уверяют, что именно их решение – лучшее. Потом что-то отсеивается, а что-то остаётся. Представьте себя в роли человека, ставящего свою подпись в документе на изделии, которое в конечном счёте «полетит». Вряд ли кто-то захочет взять на себя такую ответственность, применяя малознакомый материал, поэтому отношение к новому всегда настороженное. Однако работа идёт. Не сомневаюсь, что придёт время и наш материал займёт свою нишу во многих отраслях промышленности.

Наноуровень и мегапроблемы

Не могу не отметить: с недавних пор все бурно обсуждают появление графена, предрекая ему блестящее будущее…

— Ну и что? Вы видели изделия на основе графена в магазине? Это пока всё на словах. Конечно, создание графена – предмет гордости мировой науки, но, несмотря на изобилие впечатляющих публикаций, я глубоко сомневаюсь, что графен очень быстро войдёт в жизнь, потому что формирование структур на наноуровне вызывает много технологических проблем, связанных с дефектностью и стабильностью свойств получаемого материала. Как учёный и инженер, я имею право на эту точку зрения.

Рассчитывают ли создатели материала на основе диоксида циркония получать коммерческую прибыль от своей разработки, в случае если материал успешно пройдёт испытания и будет положительно оценен производителями в разных отраслях промышленности? Разработка ведь наверняка запатентована, да и о брендах Вы мне уже рассказывали…

— Нет, прибыль не считали. Инновационная деятельность и вообще защита интеллектуальной собственности не может проводиться между делом – это очень ответственный, по-своему творческий процесс, в котором имеется система корпоративных стандартов, требующих профессионального подхода. Каждый должен заниматься своим делом. Режущие инструменты мы стали разрабатывать потому, что они лежат на поверхности. Более тонкие и сложные задачи, которые сейчас перед нами стоят, связаны с трением и износом (в частности, втулки подшипников скольжения для работы в экстремальных условиях эксплуатации, энергосберегающие подшипники качения и др.), возможным изменением конструкторского подхода к работе с материалом, поскольку всё новое имеет свои особенности. Конечно, мы защищаем разработку, у нас есть патенты. Но, признаюсь, опыта получения роялти я не имею, поэтому мне сложно рассуждать о потенциальной коммерческой пользе от патентования. Главное, что мне сейчас нужно, – проводить испытания, следить, чтобы эти втулки позволяли улучшить технические характеристики машин, потому что, как человек, болеющий за свою страну, я заинтересован в том, чтобы росло количество и качество отечественной продукции.

Для справки: Проект «Разработка технологии синтеза и обработки наноструктурированных композиционных материалов на основе диоксида циркония и выпуск опытных партий деталей триботехнического назначения» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники на 2007–2012 годы» реализован рядом научных и медицинских учреждений. Головная организация – Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. Объём финансирования – 100 миллионов рублей.