Шевченко В. Я., Терещенко Г. Ф.

Без стекла и керамики сегодня немыслим не только наш быт, но и практически вся человеческая деятельность. От их разнообразия и совершенствования во многом зависит прогресс общества в целом. Об истории этих материалов, сегодняшнем состоянии и области применения, а также перспективах развития рассказали члены- корреспонденты РАН В. Я. Шевченко (директор Института химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН) и Г. Ф. Терещенко (первый заместитель министра науки и технологий РФ).

В широком понимании керамика - это совокупность всех материалов на основе неорганических неметаллических соединений, изготавливаемых спеканием (обжигом). Стеклом же обычно называют вещества в аморфном метастабильном состоянии.

Археологические раскопки показали: уже 10 000 лет до н.э. люди пользовались утварью из обожженной глины, а первый материал на другой основе - фаянс - получили в Египте и на Ближнем Востоке около 4000 г. до н.э. Он представлял собой смесь измельченного кварца или песка (часто с примесью извести) с окислами щелочных металлов и красителями на основе соединений меди.

Новый толчок к развитию керамических материалов придала зародившаяся в начале III тыс. до н.э. металлургия, где их использовали для футеровки плавильных печей, форм и тиглей. Огнеупоры Древнего Рима и средневековья имели приблизительно тот же состав, что и некоторые современные. А в начале I в. н.э. римские инженеры создали технологию получения цемента, что привело к расцвету гражданского строительства и формированию городов.

Производством же стекла владели еще ремесленники бронзового века, массовое изготовление изделий из него начали на рубеже II столетия до н.э. в Римской империи.

Качественные огнеупоры, автомобильные свечи зажигания, люминесцентные экраны, сегнетоэлектрики(*), радиодетали, сверхпроводники - вот далеко не полный перечень изделий современной керамической промышленности. Сегодня без нее нельзя себе представить ракетостроение, авиацию и ряд других отраслей военной и гражданской техники.

В 70-е годы широкое распространение нашли вновь созданные материалы - ситаллы(**) и неорганические волокна. На их основе стали изготавливать высокопрочные кварцевое, базальтовое и стекловолокно, а также различные технические ткани. В то же время были освоены технологии производства биосовместимых материалов и особо чистых веществ заданного состава, что помогло наладить выпуск необходимых в медицине биосовместимых остео- и дентопротезов.

Значительные успехи пришлись на 80-е годы. Тогда нашли дальнейшее развитие теоретические предсказания и методы исследований строения оптического и технического стекла, материалов из него. Это, в свою очередь, послужило толчком к улучшению лазерной техники, волоконно-оптической связи, нелинейной оптики и т.д. Совершенствование диссоциативной теории разрушения хрупких тел (керамики) способствовало разработке специальных броне- и ударопрочных конструкций. Большое значение имело изучение поверхностных явлений в стеклообразных и керамических материалах. Последние позволили выпускать многофункциональные покрытия: теплозащитные, антикоррозионные и химически стойкие, а также эмали.

Химия и физическая химия коллоидных оксидных систем в 90-е годы стали научной основой производства нанодисперсных материалов. А на базе теории химической и радиационной стойкости аморфных сред удалось предложить технологии и материалы для утилизации химических, радиоактивных и биологических техногенных отходов.

Особое внимание В. Я. Шевченко и Г. Ф. Терещенко уделили положению дел в этой области в России. К 90-м годам СССР имел мощную керамическую промышленность. Доля производства сырья и изделий из керамики и стекла составляла около 5% общего валового объема страны, что находилось на уровне достижений высокоразвитых государств (скажем, в США тот же показатель составлял тоже 5%, в Японии - 7, в ФРГ - 6,5).

Весьма впечатляющи и успехи наших ученых и инженеров, ряд разработок которых были приоритетными. Это открытие сегнетоэлектриков, создание новых видов материалов из керамики для изготовления тепловыделяющих элементов в ядерной энергетике, синтез ультрадисперсных алмазных порошков и производство изделий из них, инструментальные материалы на основе карбонитридов титана и многое другое.

Однако, отмечают В. Я. Шевченко и Г. Ф. Терещенко, в середине и особенно в конце 90-х годов в керамической промышленности, как впрочем и в других отраслях, в силу ряда организационных и экономических трудностей в нашей стране наступил заметный спад. В связи с этим огромную роль, подчеркивают ученые, в поддержании перспективных исследований сыграли программы Министерства науки и технологий РФ. В дальнейшем в области керамических, стеклообразных и сверхтвердых материалов развитие должно идти как в направлении снижения ресурсозатрат на единицу традиционной продукции (огнеупоры, фарфор, фаянс, листовое стекло и др.), так и на разработку новых перспективных материалов для машиностроения, транспорта, медицины. И уже появились первые плоды такого подхода. Например, созданы образцы ударопрочной керамики для твердотельной электроники и техники связи, а также медико-биологического назначения.

Кроме того, освоена технология промышленного изготовления широкого ассортимента стекломатериалов и покрытий для лазерной и аэрокосмической техники, получены композиционные материалы с керамической и металлической матрицей. Скажем, на Лебединском горно-обогатительном комбинате внедрено предложение Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева по выпуску стеклокристаллического материала типа "сигран". В Институте физико-химических проблем керамических материалов РАН получили изделия на основе карбида кремния, а также нитридов кремния и бора. Инженерным центром "Шлаколит" совместно с Ижорским заводом (Санкт-Петербург) организован выпуск керамических облицовочных материалов, тюбингов метро и коллекторов, вкладышей для сопряжения рельсовых путей. Научно-исследовательский институт стекла совместно с Московским авиационно-производственным объединением "МиГ" разработали технологию остекления самолетов коммерческого класса типа "Гжель". А Научно- производственный комплекс "Терм" освоил производство высокомодульных волокон и тканей различных структур для Газпрома и Минатома РФ. Нужно подчеркнуть, что только экспортные поставки таких материалов и технологий принесли предприятиям прибыль в размере

--------------------------------------------------------------------------------
* Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие в определенном интервале температур самопроизвольной (в отсутствие электрического поля) электрической поляризацией, сильно зависящей от внешних условий (прим. ред.).

** Ситаллы - стеклокристаллические материалы, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе (прим. ред.).
--------------------------------------------------------------------------------
1 млн. долл., а общий экономический эффект превысил 225 млн. руб.

Следует отметить еще ряд достижений российских исследователей в этой области. В Институте химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН создана и запатентована технология синтеза реакционно-связанных покрытий, позволяющая в 3 раза снизить ресурсные затраты на единицу продукции. На комбинате "Североникель" освоена созданная в том же институте технология осаждения никеля и кобальта в виде наплывов на титановых электродах с покрытием, что позволяет увеличить выход готовой продукции в 1,5 раза. На Салаватском стеклозаводе в Татарстане внедрена линия по изготовлению окрашенного листового стекла производительностью до 5000 м2 в год. Экономия сырья и материалов при этом составила более 20 млн. руб.

В результате финансовой и организационной поддержки Министерства науки и технологий РФ удалось сохранить признанные в мире научные школы. Это исследовательские коллективы под руководством академиков М. М. Шульца (стекломатериалы), П. Д. Саркисова (стеклокристаллические материалы), Г. Т. Петровского (оптическое материаловедение) и члена-корреспондента РАН В. Я. Шевченко (керамика).

Рассматривая такие материалы, как полимеры, стекло и керамика, а также металлы и сплавы, ученые заметили, что есть всего две основные характеристики, определяющие целесообразность их применения в той или иной сфере производства - прочность и удельная стоимость единицы продукции. Причем для всех названных материалов они одинаковы в очень узкой полосе значений, и значит, выбор надо вести именно здесь. Впервые это обстоятельство отметил в 1997 г. академик Н. А. Платэ. В результате определилось направление дальнейших поисков.

В. Я. Шевченко и Г. Ф. Терещенко полагают: в ближайшее десятилетие самыми перспективными и потому приоритетными должны быть работы по расширению границ эксплуатационных свойств материалов для использования их в экстремальных условиях. Большое внимание надо уделять изучению ультрадисперсного состояния данных веществ. В результате появятся новые биоматериалы, прежде всего имплантанты, биосенсоры, материалы, обеспечивающие доставку лекарственных средств к нужному участку органа (пористые среды) или химических веществ - растениям.

Особое место в технике сейчас занимают так называемые "интеллектуальные" материалы, способные не только воспринимать внешние воздействия, но и изменять свои характеристики необходимым образом. Некоторые из них могут моделировать биологические системы и даже способны "обучаться", т.е. регулировать степень своего отклика в зависимости от внешнего воздействия. Речь идет, в первую очередь, о функциональном стекле и керамике, отличительной чертой которых являются нелинейные зависимости электрических, механических и тепловых свойств.

В технологии изготовления материалов предпочтение будет отдано процессам, обеспечивающим наибольшую экономическую эффективность, включая малотоннажную химию и технологии микро- и нано-порошков и материалов более высокого класса (биокомпозитов, тех же функциональных стекол).

Все это, полагают ученые, позволит керамической и стекольной промышленности России вернуть утраченные позиции.

Исследования, разработки и инновации в области керамических и стекломатериалов. - Вестник Российской академии наук, т. 70, N I, 2000.

Материал подготовил А.К. МАЛЬЦЕВ