Новая школа для новых материалов

13.05.2020

Новая школа для новых материалов

Почему в России не хватает специалистов по композитам, как заинтересовать школьников новыми материалами и кто такие прочнисты, в интервью Indicator.Ru рассказал руководитель «Школы перспективных материалов», старший научный сотрудник кафедры химической технологии и новых материалов химического факультета МГУ Борис Булгаков.


— Новые материалы — постоянная тема для научных новостей. При этом их внедрение чаще всего преподносят все же как дело будущего. Расскажите, пожалуйста, в каких отраслях новые материалы уже востребованы в полной мере?

— Композиционные материалы, например те, которыми занимается наша кафедра, применяются во многих отраслях, прежде всего в авиации и космосе. Композиты составляют 50% массы последнего Boeing 787 Dreamliner и чуть более 30% российского лайнера МС-21, у которого монолитные панели кессона крыла впервые в мире выполнены из углепластиков по технологии «черное крыло». Их производят методом вакуумной инфузии на предприятии «Аэрокомпозит» в Ульяновске. Коллектив нашей кафедры активно участвовал в разработке этой технологии.

Сейчас конструкционные композиты актуальны для производства всех изделий, которые должны быть одновременно прочными и легкими: в автомобилестроении, особенно для создания электромобилей, и альтернативной энергетике, для протезирования и производства спортинвентаря. Из углепластиков делают хоккейные клюшки, шлемы и другие элементы защиты для спортсменов, велосипедные рамы, удочки… Кстати, применение композитов началось с изготовления лодок из стеклопластиков. Сейчас из них делают как прогулочные яхты, так и небольшие монолитные лодки. Используют композиты и в строительстве. Например, их применяли для усиления прочности конструкции Евротоннеля. Из полимерных композиционных материалов в разных странах, в том числе в России, воздвигают облегченные мосты как для временной, так и для постоянной переправы. Востребованы композиты и на предприятиях, где из-за наличия коррозионной среды нельзя использовать металл. Например, в текстильной и бумажной промышленности из-за применения хлорных отбеливателей для эксплуатации требуются емкости и трубы из стеклопластика.

— Что послужило поводом для создания «Школы перспективных материалов»? Почему сейчас целесообразно привлекать внимание школьников к этой области?

— В первую очередь потребность в кадрах. Занимаясь испытанием новых материалов, Центр испытаний, сертификации и стандартизации функциональных материалов и технологий (ЦИСиС ФМТ) активно взаимодействует с предприятиями по производству композитов. В ходе этой деятельности был выявлен существенный дефицит квалифицированных инженеров, техников и технологов. Отсюда и появилась идея начать привлекать интерес молодежи к нашей отрасли как можно раньше, еще на уровне школы. Такую инициативу ЦИСиС озвучил перед руководством МГУ имени М. В. Ломоносова как основной кузницы научных кадров для нашей страны, а мы, в свою очередь, обратились с инициативой создания «Школы перспективных материалов» в негосударственный институт развития «Иннопрактика». Сначала проект был отобран рабочей группой, затем состоялась его презентация перед участниками комиссии по проектам развития, за которой последовало решение о поддержке. Цели проекта во многом совпадают с миссией «Иннопрактики» — вовлечением старшеклассников в проектную деятельность в рамках реализации тех или иных образовательных программ с дальнейшим тиражированием полученного опыта в регионы России.

Наша непосредственная задача заключается в том, чтобы рассказывать школьникам о новых материалах, показывать их, давать потрогать руками и, конечно же, разъяснять, как и для чего они получены, как можно и нужно с ними работать. Это помогает детям понять, что без перспективных материалов невозможен прогресс, с их применением связаны все технологические достижения, дает им возможность проявить интерес к области композиционных материалов и сделать осознанный выбор относительно получения дальнейшего образования.

— Какие траектории развития в вашей области могут выбрать для себя сегодняшние школьники?

— Область создания композиционных материалов находится на стыке разных наук и технологических направлений. Например, только в рамках моей специализации — полимерных композитов — существует целая цепочка создания нового материала. Поскольку композит состоит из двух базовых компонентов — полимерной матрицы и армирующего наполнителя, которым может быть углеродное или, например, стеклянное волокно, для его создания требуются знания в области полимерной науки и неорганической химии, технологий получения волокна и текстильной переработки. При этом нельзя просто взять и соединить полимер и волокно — нужно разработать технологию получения композита, а потом испытать ее на практике.

Испытания — это глаза и уши всей науки. Без испытаний ничего не создается, а потому разработка методики их проведения и ее апробация составляют еще одну карьерную траекторию в рассматриваемой профессии. Те, кто предрасположен к четкой работе по уже созданным методикам, могут заняться контролем и обеспечением качества процесса изготовления изделий из композитов. Конструкторы трудятся над внешним обликом изделия, формируют принципы его работы, создают 3D-модель и чертежи. Инженеры-расчетчики — или, как мы их называем, прочнисты — подбирают оптимальную схему армирования композита и рассчитывают прочность деталей. Отдельным направлением работы является 3D-печать при прототипировании. Ошибки при выкладке деталей могут привести к получению дефектных партий, поэтому сейчас процессы выкладки и раскройки автоматизируются — тут нужны специалисты по робототехнике. И все это, по сути, только верхушка полного цикла создания материала, сопровождающегося множеством нюансов.

В композитной отрасли нужны специалисты по разным дисциплинам, и все они должны взаимодействовать и понимать, что конкретно происходит на каждой стадии и почему так важны те или иные производственные моменты. Наша программа ориентирована на формирование у школьников цельного представления об этом процессе, причем мы делаем упор на практику, предоставляя детям возможность самостоятельно определить, чему им хотелось бы учиться дальше.

— Как вы проводили отбор участников «Школы композитных материалов»? Какими базовыми знаниями они должны располагать к началу занятий?

— Сначала мы распространили информацию о проекте по школам, в первую очередь по профильным и расположенным близко к ЦМИТ «Территория творчества», где проходят занятия. Соответствующие данные были размещены на сайте ЦИСиС. Заявку на обучение в «Школе композитных материалов» мог подать кто угодно, но основной интерес все же наблюдался со стороны учащихся профильных школ. Студенты колледжей тоже изъявили желание участвовать в проекте, но их было немного. Затем мы провели в школах профориентационные лекции обо всех направлениях обучения в школе и мастер-классы по изготовлению композиционных материалов, после чего предложили ученикам заполнить анкеты. Нам было важно выявить их мотивацию на изучение данной области. Анкеты среди прочего включали и общие технические вопросы, но они были направлены на проверку не столько знаний, сколько базовой логики и наличия конкретной заинтересованности. На основе анализа полученных данных мы и проводили набор. Осенью 2019 года лекции прослушало примерно 660 школьников и студентов, а на обучающие курсы были отобраны 62 человека.

— Сколько курсов вы уже провели, и как они проходили?

— Два курса мы провели осенью, а в феврале начали третий, но из-за пандемии коронавируса школы закрылись и обучение последнего потока, а также проведение итогового конкурса пришлось перенести на сентябрь-октябрь.

Мы ведем обучение по трем направлениям: полимерные композиты; 3D-моделирование, прототипирование и печать; углеродные материалы. Рассказывая о них во время профориентационных лекций, мы наглядно показывали, что именно ребята будут делать в рамках каждого курса, и они выбирали интересующее их направление. Некоторые выразили желание обучаться сразу по двум направлениям.

Расписание мы составляли для каждого ученика индивидуально — с учетом основных занятий в своей школе и возраста, поскольку работаем с разновозрастными учащимися с 8-го по 11-й класс. Ребята приходили к нам в разные дни, но регулярно, и выполняли учебные и практические задачи: собирали образцы из композитов, что-то моделировали и распечатывали на принтере. Фундаментальное направление связано с углеродными материалами — ученики узнают о разных модификациях углерода, изучают процесс терморасширения графита. Им очень интересно видеть, как из малого количества графитового порошка можно получить массу пены и в зависимости от степени расширения создать целую линейку разных материалов. На курсе учат тому, как обрабатывать графит для этих целей.

Проведение каждого 16-часового курса занимало около месяца, по итогам внутренних конкурсов мы отобрали для проектной работы 16 человек. Впоследствии эти ученики выполнили мини-исследования — полноценные школьные проекты.

— Расскажите, пожалуйста, подробнее об их проектах.

— Например, участники выкладывали из полимерного композита определенные изделия. Изучив предложенные варианты связующих и наполнителей, они размышляли над тем, как выложить бумеранг, скейтборд, дугу для лука или какой-то другой объект. Один из проектов ребята выполняли совместно со школьным: у нас напечатали на 3D-принтере корпус для ракеты, а в своей школе сделали «начинку», для того чтобы она взлетела. Идея проектной работы заключается в том, чтобы задействовать потенциал и способности школьника, а мы подсказываем, как лучше выполнить задачу. Не все получается с первой попытки, зато нарабатывается практика. К тому же каждый проект сопровождается оформлением теоретической части — обоснованием выбора тех или иных материалов и указанием преимуществ готового изделия.

Запланированный на весну нынешнего года конкурс проектов теперь состоится только осенью, после проведения нами третьего курса обучения. Участники конкурса будут выступать с презентациями перед нашими экспертами, а также представителями других вузов и компаний отрасли. Возможно, кто-то предложит им пройти у себя стажировку, когда они станут студентами.

— Планируется ли тиражирование вашего опыта в регионах?

— В рамках поддержки, оказываемой проекту «Иннопрактикой», была предусмотрена задача тиражирования методики в регионы. Сейчас у нас в планах работа в Тульской области, где уже имеются предприятия композитного направления, а также создаются новые, в связи с чем есть заинтересованность в подпитке кадрами. Там оборудованы площадки для проведения кружков по другим направлениям, которыми мы тоже можем воспользоваться. Так что тиражирование нашего проекта может начаться именно с этого региона.

— Вы даете школьникам, проявляющим интерес к композитной отрасли, шанс ближе познакомиться с ней, а дальше они должны поступить в вуз и освоить выбранную профессию. Как, на ваш взгляд, должна быть выстроена вся система подготовки специалистов для вашей отрасли?

— Недостаток специалистов в нашей отрасли сформировался именно из-за отсутствия междисциплинарной подготовки. В России много вузов, где готовят специалистов высокого уровня, но либо узкоспециализированных, либо, наоборот, с фундаментальной подготовкой, не ориентированных на решение конкретных задач. Для развития композитного направления нужны специалисты с широким кругозором, располагающие знаниями о том, где, зачем и как используется тот или иной композит, что из него можно сделать, а что нельзя. Специализация у каждого может быть своя, но общее представление нужно иметь всем.

Согласно моему личному мнению, которое отражает и мнение преподавателей кафедры химической технологии и новых материалов, в настоящее время специалистов, полностью соответствующих требованиям композитной отрасли, не готовят нигде. Но мы стремимся к решению этой задачи: активно привлекаем студентов к работе по проектам наших партнеров, увязываем дипломные работы выпускников с реальными задачами, создаем новые программы, пока на уровне магистратуры. Отрасль сейчас активно развивается, и не только мы занимаемся внедрением в ней дополнительного образования. Есть еще, например, центры компетенций WorldSkills, в разных технических вузах создаются новые программы обучения. Я считаю, что надо очень много работать на разных уровнях, чтобы преодолеть разрыв и выстроить процесс обучения на уровне ведущих стран.

Читать интервью на сайте информационно-сервисного портала Индикатор.