Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Российские нанотехнологии — прикладные аспекты Сегодня нанотехнологии (технологии, манипулирующие веществом на молекулярном и даже атомном уровне) — одно из наиболее перспективных направлений развития мировой инновационной экономики. Сфе­ры их применения интенсивно расширяются. Это и производство новых материалов, и топливно-энергетический комплекс, электроника и микроэлектроника, химия, медицина и биотехнологии, машиностроение, строительство, метрология и многое другое. Осенью в Экспоцентре на Крас­ной Пресне в соответствии с решением правительства РФ был проведен 2-й Международный форум по нанотехнологиям, организованный Госу­дарст­венной корпорацией «Роснано­тех» («РОСНАНО»). В рамках деловой части форума, главными темами которого его организаторы заявили «Нанотехнологии в отраслях промышленности», «Про­из­водство и применение продуктов нанотехнологий», «Институты инновационной экономики», проходили выставка Rusnanotech ’2009 и 17 научно-технических секций. Форум вызвал большой интерес посетителей — бизнесменов и политиков, хозяйственников, ученых и специалистов самых разных отраслей из России и других стран мира. Тематикой его деловой программы стали использование нанотехнологий в традиционных и высокотехнологичных отраслях экономики, прогнозирование перспективных направлений развития нанотехнологий и выработка стратегий реализации нанотехнологических проектов, формирование полноценной финансовой и технологической инфраструктуры инновационной экономики, подготовка научных менеджеров в области нанотехнологий. Немало интересного было представлено и на стендах выставки, посвященной прикладным аспектам использования наноматериалов и нанотехнологий, которая была призвана содействовать коммерциализации нанотехнологических разработок и развитию наноиндустрии. На выставке, где посетители могли «из первых рук» узнать о последних новинках и их практическом внедрении, демонстрировались оригинальные образцы отечественной и зарубежной нанотехнологической продукции, новейшие разработки в области нанотехнологий, оборудование для наноиндустрии. Наноструктурированные материалы Пожалуй, наиболее интенсивно и успешно развивающейся областью нанотехнологий в последнее время стало создание новых материалов — наноструктурированных материалов с исключительными (и нередко с наперед заданными) эксплуатационными свойствами. Ряд таких разработок наноматериалов, включающих в себя создание объемных наноструктур конструкционных материалов и нанокомпозитов, был показан на выставочных стендах Гос­кор­порации «Роснанотех» и других отечественных и зарубежных предприятий. В их числе — модификатор дорожных покрытий «Унирем», нанопорошки рения и других металлов из техногенного сырья, теплоизоляционный материал «Пеноситал». С интересной разработкой можно было ознакомиться на стенде ГК «Рос­нанотех», где совместно с Инсти­тутом новых углеродных материалов и технологий и ЗАО «Холдинговая компания “Композит”» были пред-­с­тавлены новые композитные материалы — препреги. Эти материалы-полуфабрикаты на основе углеродных и минеральных волокон и нанонаполненных связующих получают путем пропитки армирующей волокнистой основы. Волокна и полимерное связующее подвергаются обработке по специальной технологии модификации на наноуровне, что позволяет заметно повысить эксплуатационные ха­рактеристики композиционного ма­те­риала. После отверждения получается композит с улучшенными эксплуатационными свойствами. На­пример, прочность материала возрастает более чем на 60%. Раз­работанная технология позволяет в максимальной степени реализовать физико-химические свойства армирующего материала, получая при этом монолитные изделия сложной формы при минимальной инструментальной обработке. Новинка найдет (и уже находит) применение в самолетостроении — при производстве прочных и легких корпусов самолетов и вертолетов, крыльев, обтекателей, винтов. Ис­пользование таких материалов поз­воляет снизить вес летательных аппаратов, и, как следствие, расход топлива в полете, а также повысить прочностные характеристики и срок службы ЛА. Не менее перспективным рынком применения препрегов является ветроэнергетика. В частности, их можно использовать при изготовлении специально профилированных, прочных лопастей ветроэнергетических установок. Препреги найдут применение и в других областях. В автомобильной и судостроительной промышленности — для изготовления судовых корпусов и ненесущих деталей кузова автомобиля; в строительной отрасли — при армировании бетонных конструкций. Применимы они и при изготовлении протезов и медицинских приборов, товаров спортивного и хозяйственного назначения. Расширение сферы практического использования новых, в т. ч. полимерных, материалов, конечно же, не отменяет «господства» в промышленном производстве традиционных конструкционных материалов — металлов и сплавов. Металлы, самые разнообразные металлические конструкции и изделия сохраняют свой приоритет во многих отраслях народного хозяйства. Весь­ма интересные новые предложения в области металлургии были представлены рядом отечественных разработчиков. Так, на стенде НИИ металлургической технологии (ОАО «НИИМТ», г. Ижевск, Удмурт­ская Республика) демонстрировались перспективные нанокомпозиционные металлы и сплавы с улучшенными свойствами, получаемые на основе инновационных металлургических процессов. В последние годы растет интерес к наноалмазам, впервые синтезированным в СССР, — углеродным структурам с кристаллической ре­шеткой типа алмаза. Наноалмазы, способные в зависимости от способа получения приобретать особые (не­редко уникальные) физико-механические свойства (высочайшую износостойкость, термостойкость, микротвердость), можно использовать в самых разных отраслях. На стенде ФГУП «ФНПЦ “Алтай”» (г. Бийск, Алтайский край) посетители выставки могли познакомиться с новыми разработками предприятия. Специалисты алтайского Центра нанотехнологий представили технологию детонационного синтеза промышленного производства наноалмазов. Продукт синтеза, шихта, — это алмазо­углеродный порошок черного цве­та, содержащий алмазы диаметром 2–4 нм (35–40% массы), а также углеродные луковицы, ленты, аморфные частицы. На предприятии разработаны и освоены в производстве технологии практического изготовления наноалмазных продуктов для использования в промышленности. В первую очередь — в полировальных композициях, например, созданных на предприятии эффективных полирующих составах наноалмазов «БИКА» — паст, суспензий, золей. Здесь также разработаны технологии гальванических покрытий, в частности, хром-алмазных износостойких покрытий для оборудования нефтедобычи. Выпускаются также присадки к промышленным и моторным маслам на основе ультрадисперсных алмазов («Деста-М», «Деста-С» и новая коллоидно-устойчивая присадка «Деста-Ф» с включением алмазоуглеродного порошка со средним размером частиц от 20 нм). Использование таких смазочных композиций эффективно в промышленности, на транспорте. Как показывает практика, износ двигателя внутреннего сгорания при их применении снижается в 1,5–2 раза, а расход топлива уменьшается на 5–10%. В настоящее время ведутся работы по использованию наноалмазных порошков для создания катализа­торов и электродов низкотемпературных топливных элементов, по применению таких технологий в меди­-цине и др. Нанотехнологии упрочнения и прессования Свою разработку самого последнего времени в области новых конструкционных сталей представило ФГУП «ЦНИИ конструкционных мате­риалов “Прометей”» (г. Санкт-Петер­бург). Учеными и специалистами предприятия создана и освоена в производстве технология регулируемого наноструктурного упрочнения теплоустойчивой стали повышенной жаропрочности. Получаемая на ее основе микролегированная высоко­хромистая сталь типа 15Х10МВФ обладает по сравнению с мировыми аналогами длительной жаропрочностью, высокотемпературной ползучестью, деформационной способностью. Применение такой стали, по утверждению разработчиков, в конструкциях, узлах и агрегатах энергетического оборудования, длительно нагруженного в условиях повышенных температур, обеспечит его высокую надежность, долговечность рабо­ты и экологическую безопасность. Разработка нового конструкционного материала открывает возможности создания высокоэффективного энергетического оборудования, например, агрегатов паросиловых установок с паром сверхкритических параметров (температура эксплуатации — 600–620 °С). В частности, его использование в подобных конструкциях паросиловых и реакторных установок позволяет повысить их КПД на 55% и до 5 раз увеличить ресурс работы. Большой интерес в различных производственных отраслях вызывают также изделия из наноструктурированной керамики — нанокерамики — поликристаллических неметаллических материалов, получаемых в результате спекания порошков с частицами размером менее 100 нм. До­ступность сырья, экономичность в производстве, экологическая без-­опасность и биосовместимость, ши­ро­кий диапазон получения требуемых эксплуатационных (в т. ч. специфических) свойств — все это делает весьма актуальным использование таких материалов. Научно-исследовательский центр перспективных и нетрадиционных технологий «Спектр» Томского политехнического университета (НИЦ «Спектр» ТПУ) представил оригинальную технологию изготовления изделий заданной формы из функ­циональной и конструкционной нанокерамики, нанокомпозитов. Особенность технологии состоит в оригинальных способах сухого прес­сования самых разных изделий сложной формы из керамических нанопорошков, в т. ч. с применением ультразвукового воздействия. Специалистами предприятия разработаны и опробованы на практике новые способы прессования деталей и конструкционных элементов из пылевидных керамических нанопорошков на основе эффекта автовыравнивания плотности в объеме прес­совки. Предлагаемая технология позволяет создавать бездефектные порошковые изделия различной сложности с равномерной плотностью по объему. При этом вследствие формирования наноструктуры в спеченной керамике заметно повышается качество изделий, улучшаются их эксплуатационные характеристики: прочность, пластичность, из­носостойкость и т. д. Отечественная разработка подтвердила свою практическую применимость для изготовления изделий конструкционной, пьезо-, сегнето­электрической и функциональной нанокерамики. Эти изделия найдут применение в электронике, автомобильной, авиакоcмической, кабельной и текстильной промышленности; в химическом, нефтегазовом и строительном машиностроении, бы­товой технике, медицине. Нанотехнологии в машиностроении и металлообработке Одним из перспективных направлений практического применения нанотехнологий в промышленности в настоящее время стало развитие технологий формирования наноструктуры рабочего слоя различных металлических изделий — деталей и узлов машин, инструментов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Интересная отечест­венная разработка была представлена на стенде ГК «Роснанотех» совместно с НПО «Сатурн» (г. Рыбинск, Яро­славская обл.), РНЦ «Курчатов­ский институт» (г. Москва) и ОАО «Газ­промбанк». Это высокотехнологичный металлорежущий инструмент с наноструктурированным покрытием, придающим изделиям особые физико-механические свойства. Та­кие покрытия делают инструмент более стойким к износу и заметно увеличивают срок его службы. В то же время обработку металла можно проводить на более высоких (в 1,5– 2 раза) скоростях. В основе технологии нанесения наноструктурированных покрытий ле­жит оригинальная разработка специалистов РНЦ «Курчатовский инс­титут», выполненная в рамках Феде­ральной целевой программы. Раз­личные нанослойные и наноструктурированные покрытия сложного состава и архитектуры из нитридов и карбидов элементов IV–VI групп, оксидов, боридов, а также алмазоподобные пленки, износостойкие и антифрикционные покрытия наносятся на поверхность режущего инструмента плазменно-дуговым способом по разработанной методике. В настоящее время новая технология внедряется в промышленное производство. Ведется строительство нового завода, на котором уже в 2010 г. запланировано начало серийного выпуска инструмента с наноструктурированным покрытием, пред­назначенного для обработки деталей авиационных двигателей и металлов на предприятиях машиностроительных отраслей. Новое производство, по расчетам участников проекта, должно ослабить зависимость российских машиностроительных предприятий от импортной инструментальной продукции. Крупным потребителем изделий завода (до 30%) станет само НПО «Сатурн». Другую их часть планируется поставлять отечественным производителям машиностроительного комплекса, а также на зарубежный рынок. Здесь же на стенде ГК «Рос­нанотех» совместно с предприятием ООО «Микробор Технолоджи» (г. Мос­ква) была показана еще одна подобная разработка — режущий инструмент из нанопорошка кубического нитрида бора. Этот сверхтвердый материал уступает по твердости только алмазу. Особенностью изготовленного из него режущего инструмента является повышенная стойкость к ударным нагрузкам. Ему поддаются практически все используемые в промышленности материалы: чугун и сталь, железные и титановые сплавы, угле- и стеклопластики. Новый инструмент способен работать с весьма высокой производительностью, снижая затраты на обработку деталей до 60%. Отечественное производство инст­румента из нанопорошка кубического нитрида бора, создаваемое в рамках проекта ГК «Роснанотех», станет первым в мире. Выпуск первой партии изделий запланирован на III квартал 2010 г. Такой инструмент, предназначенный для черновой и финишной обработки деталей в тяжелом машиностроении, автомобилестроении, до­бывающей промышленности и строительстве, будет поставляться на внутренний и внешний рынок. ГК «Роснанотех», ООО «НПЦ “Пру­жина”» и Ижевский машиностроительный завод (Удмуртская Рес­публика) совместно представили новую отечественную разработку — винтовые сверхвысокопрочные пружины, изготовленные на основе методики контролируемого формирования однородных наноразмерных субструктур в материале. Технология горячей навивки пружины в специальном режиме нагрева – охлаждения – закалки каждого витка позволяет производить изделия с повышенными эксплуатационными характеристиками. Такие пружины отличает высокая прочность, они способны выдерживать напряжения, вдвое превышающие допустимые. При этом их долговечность увеличивается в несколько раз. Технология изготовления включает последо­вательные процессы скоростного нагрева заготовки-прутка, горячую навивку и охлаждение (по особому графику) — закалку изделия, что обеспечивает образование и закрепление сформированной наноразмерной субструктуры. Новые сверхпрочные пружины рассчитаны на самое широкое применение в различных областях: в машиностроении и энергетике, на транспорте и в ЖКХ. Новинка найдет применение в конструкциях вагонных и локомотивных тележек, энергетических установок, автомобильных подвесок, сельскохозяйственной и дорожно-строительной техники, лифтовых систем. Как показывают оценки, только на железнодорожном транспорте использование таких пружин позволит значительно сократить затраты на ремонт и эксплуатацию подвижного состава, а также повысить объемы грузоперевозок за счет увеличения нагрузки на вагонную ось. ЛКМ и специальные составы Известно, как велик сегодня спрос на качественную лакокрасочную продукцию. К сожалению, пока потребность в таких материалах на российском рынке большей частью удовлетворяется за счет предложений зарубежных фирм. С новинками в этой области познакомили посетителей выставки отечественные разработчики. На стенде ООО «НПК “Нано­мет”» (г. Москва) демонстрировались оригинальные разработки предприятия — ЛКМ с включениями наночастиц (размером не более 20 нм) различных металлов (серебра, цинка, кобальта). По утверждению разработчиков, совсем небольшие добавки таких наночастиц, полученных на основе созданной специалистами предприятия методики биохимического синтеза и введенных специальным способом в состав краски, приводят к появлению новых и весьма полезных свойств. В частности — бактерицидных, антикоррозионных, токопроводных, сиккативных. Помимо специфических свойств, присущих той или иной модификации, такие краски обладают высокими эксплуатационными качествами, что позволяет использовать их в самых разных областях. Так, на выставке была представлена новая краска с биоцидными свойствами, которая уже применяется в качестве эффективного антимикробного средства на предприятиях общественного питания, в медицинских, детских и спортивных учреждениях, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях. Привлекли внимание посетителей интересные новинки эффективного, уже освоенного на практике использования нанотехнологических разработок в производственных ус­ловиях — в промышленности, энергетике, строительстве, на транспорте. Так, например, на стенде предприятия «Автостанко­пром» (г. Санкт-Петербург) можно было познакомиться с его новыми разработками — эпиламирующими составами, пред­назначенными для поверхностной обработки изделий и деталей, изготовленных из самых разных материалов — металлов, полимеров, стеклотекстолита, резины и др. Эпиламы, включающие фторсодержащие растворы поверхностно-активных веществ и образующие наноразмерные пленки на поверхности деталей, позволяют снизить коэффициент трения и износ контактирующих поверхностей узлов и агрегатов машин, станков и механизмов. Как показывает практика, это дает возможность заметно повысить надежность и ресурс работы используемого оборудования. Новые составы и композиции серий «Полизам», 6СФК-180, «Камп», «Эфрен», «Аква­лин», созданные специалистами предприятия, предназначены к применению и с успехом используются в машино- и приборостроении, при производстве металло- и деревообрабатывающего, а также абразив­ного инструмента, в системах смазки и охлаждения узлов станков, машин и механизмов при металлообработке, в строительстве и на транспорте. Энергетика и метрология В последние годы все больший интерес вызывает практическое применение экономически выгодных и экологически чистых технологий по­лучения электрического тока с по­мощью солнечной энергии. Ис­пользуя для этого эффективные системы, можно вырабатывать электрический ток и подпитывать общую энергосеть. Сегодня открываются возможности применения практически неисчерпаемых запасов солнеч­ной энергии без нанесения какого-либо ущерба окружающей среде. На стенде ГК «Роснанотех» совместно с компаниями «Ренова-Оргсинтез», Oerlikon Solar и Avelar Energy Group была представлена перспективная промышленная разработка — солнечные батареи, созданные по технологии тонких пленок. В ее основе лежат тонкопленочные фотоэлементы на базе так называемого микроморфного кремния — тончайшего слоя аморфного кремния с нанокристаллитами размером 10–30 нм. Этот слой наносится на стеклянную поверхность панели методом плазменного осаждения из газовой фазы, содержащей силан*. Благодаря сочетанию различных фаз кремния разработчикам удалось расширить спектр поглощаемого и преобразуемого солнечного света, заметно повысив при этом эффективность тонкопленочных па­нелей. Такие батареи можно располагать на участках открытых пространств, крышах любых зданий, используя их в качестве солнечных электростанций. В настоящее время на основе разработанной технологии создается промышленное производство модулей в ОАО «Химпром» (г. Новочебоксарск) с выходом на проектную мощность — 1 млн солнеч­ных модулей в год (120 МВт/год) — в конце 2011 г. Современные методы исследования наносистем и наноматериалов требуют использования новых подходов с привлечением точных и достоверных аналитических методов и оборудования. В свою очередь, анализ наносистем невозможен без подробного и тщательного исследования микроструктуры образцов таких материалов. ОАО «Термо Техно» (г. Москва) показало на выставке современный метод и оборудование эталонной порометрии, созданные специалистами фирмы Porotech (Канада) для исследования пористых и микропористых материалов. Неразру­ша­ю­щий метод эталонной порометрии (МЭП) позволяет проводить измерения по­ристости, объема пор, их радиусов и распределения по размерам, удельной площади поверхности, изотермы адсорбции. МЭП может применяться для оценки контактного угла смачивания, а также гидрофильно-гидрофобных свойств многокомпонентных материалов. Метод экологичен и не требует применения высокого давления и токсичных носителей. Изме­ряемый диапазон размеров пор — от 0,3 до 3?106 нм. Метод и разработанная для этой цели установка (порозиметр Poro­tech) могут использоваться (и уже применяются) в широком диапазоне температур и давлений в самых разных областях — в машиностроении и электрохимии, строительстве и энергетике, фармацевтике и др. При­меняют их при исследовании микроструктуры и свойств разнообразных пористых и микропористых материалов. В частности, при проведении микроструктурного анализа различных промышленных изделий: электродов, катализаторов, батарей, топливных элементов, фильтров. Порозиметр Porotech уже с успехом используется для нанометри­ческого исследования и анализа микроструктуры фармацевтических и химических препаратов, абсорбентов, керамики и металлокерамики, конструкционных материалов, кожи и текстиля, геологических материалов и почв, древесных, строительных материалов, абразивов и т. д. Экология Экологически чистая питьевая вода — жизненно необходимый и востребованный продукт питания. Более 35 т воды выпивает человек в среднем в течение жизни. Если подвергнуть очистке всю эту массу, то, как подсчитали специалисты-экологи, образуется 400–450 стаканов солей и загрязнителей. К сожалению, немалая часть этого водного «мусора» остается в организме человека: постепенно оседает в суставах, сосудах, блокирует мембраны клеток всех органов и тканей организма, не позволяя им нормально функционировать. Оригинальную отечественную разработку в области водоочистки — электрокоагуляционную нанотехнологию подготовки питьевой воды — показало на выставке ООО «Тюмен­НИИгипрогаз» (г. Тюмень). Разра­ботка эта весьма актуальна для многих регионов РФ и особенно там, где отмечается серьезное загрязнение водных источников. Так, по оценкам специалистов, в северных подземных водах содержание вредных солей железа, марганца, кремния превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) от 2 до 50 раз. Поверхностные же воды вообще малопригодны для использования в качестве источников из-за высокой цветности воды, антропогенной за­грязненности водоемов (особенно вблизи промышленных зон). Как показывает практика, применение в таких случаях традиционных технологий очистки (даже с двух- и трехступенчатой фильтрацией) не обеспечивает необходимого качества питьевой воды. Разработанная на предприятии «ТюменНИИ­гипро­газ» технология подготовки питьевой воды отличается высокой эффективностью даже в этих сложных условиях. При электрокоагуляционной об­работке воды происходит разрушение гидратных оболочек молекул загрязняющих веществ в процессе их электрохимического наномолекулярного взаимодействия с атомами анодного алюминия. При этом в 5–10 раз возрастает скорость коагуляции и хлопьеобразования по сравнению с традиционными методиками химреагентной очистки. Технология электрокоагуляции надежно обеспечивает высокое качество очистки воды как от минеральных, так и от органических загрязняющих веществ в широком диапазоне исходных концентраций и независимо от их сезонных колебаний. Специалистами предприятия на основе новой технологии создана и освоена в производстве станция «Водопад» (модельный ряд установок производительностью от 5 до 1000 м3/сут.) для очистки воды подземных и поверхностных источников с высоким содержанием железа, марганца, кремниевой кислоты, нефтепродуктов, гуминов, фосфатов. Такую станцию можно подсоединять к домам и коттеджам, жилым комплексам, общежитиям и столовым. Эффек­тивен «Водопад» и в условиях вахтовых поселков. Но­вин­ка прошла испытания, сертифицирована и рекомендована для практического использования. Уже сегодня станции «Водопад» различной мощности успешно эксплуатируются на объектах нефтегазового комплекса, в городах и поселках, частных домах и коттеджах. Совсем дышать нечем, жалуются сегодня многие на погоду, особенно в безветренные, душные дни. И в этом «повинны» не только погодно-климатические условия. Известно, как велика степень загрязнения атмо­-сферы крупных городов, промышленных регионов, зон, расположенных вблизи транспортных магистралей. Выхлопные газы автотранспортных средств — двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей, грузовиков, дорожной, автопогрузочной, строительной техники — вносят немалый вклад в создание этого атмосферного дискомфорта. Инте­рес­ную новинку, которая поможет в улучшении экологических условий окружающей атмосферы, представили отечественные ученые. На стенде ВНИТИ ремонта и эксплуа­тации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ) демонстрировалась но­вая отечественная разработка — ка­талитические блоки с наноструктурным покрытием (наноструктурированной подложкой бемита* с высокой удельной плотностью). Такое каталитическое покрытие на основе сложных наноструктурированных оксидов металлов (без ис­пользования дорогостоящих метал­лов платиновой группы) можно ис­пользовать в конструкции нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Важным преимуществом новинки является высокая эрозионная стойкость, а также устойчивость к воздействию соединений серы и свинца. Ресурс работы каталитического блока составляет 5 лет. Подобные надежные нейтрализаторы, не имеющие выноса ядовитых частиц в атмосферу, как показывает практика, наиболее эф­фективно устанавливать на автотракторной технике, автопогрузчиках. Не­заменимы они и для другой техники, работающей в условиях закрытых помещений. Алексей Лабунский, фото автора * Силаны — соединения кремния с водородом. * Бемит — минерал подкласса гидроксидов, входящий в состав бокситов.