Ученые НГУ и ВолгГТУ создали цифрового помощника разработчика эластомеров
Группа ученых Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ) в рамках реализации программы центра компетенций "Технологии моделирования и разработки новых функциональных материалов с заданными свойствами" (ЦНФМ) на базе Новосибирского государственного университета, выполняемой при финансовой поддержке Фонда НТИ, создала банк данных с модулями искусственного интеллекта, в котором представлено более 5 тыс. рецептур эластомеров.
По данным на июнь 2025 г., 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" и входит в указанную выше программу развития ЦНФМ НГУ.
Цифровое (компьютерное) материаловедение — современная область науки и технологий, занимается разработкой и оптимизацией новых материалов с уровня атомов и до уровня готового изделия, с использованием цифровых технологий, методов моделирования и виртуальных испытаний на всем жизненном цикле. Методы 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. Сейчас завершены работы по первому этапу, которые были начаты в 2024 г., — создан программно-аппаратный комплекс, состоящий из трех инструментов — 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. В настоящее время применяются практически в любой технике — авиационной, автомобильной, в отраслях судостроительной, нефтяной и других. При этом диапазон использования постоянно расширяется, в качестве подтверждения можно привести пример из автомобильной промышленности: если в 50-е годы в автомобиле было 28 резиновых деталей, сейчас их более 500. Наряду с расширением диапазона применения эластомеров постоянно повышаются требования к ним и ужесточаются условия их эксплуатации, когда материалы работают вблизи пределов работоспособности или в режиме термического и химического разрушения, жестких механических, фрикционных нагрузок, при динамическом нагружении и т.п.
"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", — комментирует Виктор Каблов, профессор Волгоградского государственного технического университета.
Создание банка данных является ядром разработки ВолгГТУ и НГУ. На текущий момент в нем уже более 5 тыс. рецептур эластомеров, и 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", — рассказывает 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 теплоёмкость, 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 — теплоёмкость, теплопроводность, температуру и плотность", — поясняет 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 объёму 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.
"Изучение поведения материала, например, огне- или теплозащитного, который работает в очень тяжёлых, экстремальных условиях, — это чрезвычайно дорогостоящее мероприятие, и оборудование — стенды для проведения подобных испытаний — не всегда доступны. Мы разработали программу, которая позволяет рассчитать и спрогнозировать поведение материала в определенных условиях. Вводя 18 параметров, которые отражают свойства материала и различные факторы воздействия (температура, время), мы рассчитываем необходимую толщину теплозащитного покрытия. Причем нужно учитывать, что это полимерный материал, который в процессе нагрева вспучивается, разлагается и поглощает тепло. Это так называемые "умные" материалы, которые адаптируются к внешним воздействиям и в результате цепочки химических превращений в условиях, например, высоких температур, эти воздействия нивелируют. Таким образом, тепло тратится на химические реакции, которые поглощают тепло, и в результате температура на необогреваемой стороне не растёт. Этот механизм схож с тем, как работают живые организмы", — рассказывает Виктор Каблов.
В планах НГУ коммерциализировать данную разработку, предлагая партнерам два варианта сотрудничества: либо приобрести лицензию на доступ к базе данных и программному продукту, либо использовать услугу в рамках абонентского обслуживания – технической поддержки разработок партнера. Технологией проектирования новых эластомеров уже заинтересовались компании, которые представляют отрасли нефтепереработки, производства шин и резиновую промышленность.
Также 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. Такие материалы находят применение в различных областях, среди которых нефтедобыча, нефтехимия, двигателестроение, космическая техника и т.д.
