История развития анотехнологии

Содержание.

Введение.

Характерной особенностью развития ведущих экономически развитых стран является переход к инновационной экономике, внедрение перспективных разработок, принципиально новых высоких технологий во все сферы деятельности человека. Одним из приоритетных направлений развития научно-технического прогресса в мире являются нанотехнологии. При этом данное направление зачастую рассматривается как рычаг, способный обеспечить политическое, финансовое и военное превосходство.

История развития нанотехнологии.

Первое упоминание о методах, впоследствии названных  нанотехнологией, сделал Ричард Фейнман  в 1959 году в своей знаменитой речи «Там внизу полно места». В 1974 году Норио Танигучи впервые назвал этим термином производство изделий размером порядка нанометров. В 1986 году он написал книгу «Машины созда­ния: грядет эра нанотехнологии», а Эрик Дрекслер популяризовал данный термин в книге «Инструменты развития: наступающая эра нанотехнологии» [1, 2].

Однако научные  исследования, например, по проблеме дисперсных систем проводились уже более 100 лет. В 1861 г. химик Т. Грэхем использовал термин коллоид для описания растворов, содержащих частицы диаметром от 1 до 100 нм в суспензии. В начале XX века такие знаменитости, как Д.У. Рэлей, Д.К. Максвелл, А.Эйнштейн изучали коллоиды. В это же время стали использоваться электрическая дуга, плазма и пламенные печи для производства субмикронных частиц.

После изобретения  в 1960 году способа получения аморфных металлов закалкой жидкого состояния  и, особенно, после разработки в 1968 году метода спиннингования – закалки  расплава на поверхности вращающегося диска – было освоено их промышленное производство. В дальнейшем путем подбора соответствующего химического состава, регулирования скорости закалки, механической или термической обработкой затвердевших аморфных сплавов были получены нанокристаллические и композитные аморфно­нанокристаллические металлы, в которых размер кристаллов укладывается в нанометровый диапазон [3].

В 80е годы в  Германии были получены консолидированные  нанокристаллические материалы. В 1980 г. были проведены исследования кластеров, содержащих < 100 атомов. В 1985 г. было установлено, что кластеры проявляют необычайную стабильность, а в 1991 г. были впервые синтезированы углеродно­графитовые трубчатые нити [4].

В 2000 г. в США  принята приоритетная долгосрочная программа, названная «Национальной нанотехнологической инициативой». Она рассматривалась как эффективный инструмент, способный обеспечить лидерство США. Ее финансирование по сравнению с 2000 г. увеличилось в 2,5 раза и достигло в 2003 г. 710 млн. долл., а, начиная с 2005 г., планировалось выделить еще 3,7 млрд. долл. Долгосрочные программы приняты Европейским Союзом, Японией, Китаем, Бразилией, ЮАР и др. – всего 35 странами. По существующим оценкам стоимость мирового рынка нанотехнологической продукции составит через 10 лет 1 трлн. долл. США. В ожидании такого рынка возросла инвестиционная активность крупных корпораций [5].

В СССР научно-техническое  направление по получению и изучению свойств наноматериалов (в то время  УД материалов) сложилось в 50е годы XX века. На предприятиях атомной промышлен­ности СССР были получены порошки с размером частиц около 100 нм, которые успешно применялись при изготовлении высокопористых мембран для диффузионного метода разделения изотопов. В 60е годы в ИХФ АН СССР был разработан левитационный метод получения УД порошков. В 70е годы с помощью использования электрического взрыва проводников и плазмохимического синтеза ассортимент УД порошков был существенно расширен. В МИСиС и ряде других вузов и НИИ в 70е годы были разработаны химические методы синтеза нанопорошков металлов и композиций на их основе [4].

В процессе реализации ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» за период 2005-2006 гг. по всем мероприятиям программы, связанным  с направлением «Индустрия наносистем и материалов», было заключено более 700 контрактов, в конкурсе на их заключение приняло участие более 300 организаций из 7 федеральных округов и 55 краев и областей РФ. Наибольшее число контрактов (266 на сумму 1456.8 млн руб.) пришлось на институты Российской академии наук. На заседании Правительства РФ от 7 сентября 2006 г. была одобрена концепция федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры нанотехнологий в Российской Федерации на 20072010 годы» [6].

Для выполнения данной программы и Программы  развития наноиндустрии в РФ до 2015 года формируется структура национальной нанотехнологической сети, в состав которой уже входят или войдут в дальнейшем: Российский научный центр «Курчатовский институт», осуществляющий научную координацию деятельности по реализации президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии»; Российская государственная коропорация нанотехнологий (Роснанотех), решающая задачи организационной и финансовой поддержки инновационной деятельности в сфере нанотехнологий и др. [7].

Возможности для машиностроения.

Машиностроение  является, в основном, потребителем объемных наноструктурированных материалов (стали, титан и его сплавы, алюминиевые  сплавы, керамика, пластмассы и композиционные материалы), материалов с памятью, порошковых материалов и комплектующих наноизделий (гидро­ и электрооборудование, нанопродукция приборостроения и др.). Существенный эффект ожидается от внедрения технологических процессов нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты, штампы и пресс-формы, а также износо, коррозионно­, жаростойких и водооталкивающих покрытий деталей машин. Важное значение имеет наноструктурированная продукция триботехнического направления и оборудование для обработки деталей с нанометровой точностью и для нанесения нанопокрытий. При этом улучшение соответствующих качественных показателей (прочность, твердость, пластичность, износо-. жаро-, коррозионная стойкость и т.д.) может быть достигнуто как посредством введения того или иного технологического процесса (литье, прессование, нанесение покрытий и т.д.) получения нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов, так и за счет соответствующих технологических режимов изготовления заготовок и изделий (равноугольное прессование, термомеханическая обработка и др.). Сами по себе наноматериалы в чистом виде, например, углеродные трубки, не нужны: серьезные положительные изменения в экономику в том числе и в машиностроение, внесут макроматериалы из нанотрубок или содержащие нанотрубки [8].

По прогнозам  американской ассоциации National Science Foundation мировой объем рынка товаров и услуг с использованием нанотехнологий может в ближайшие 10…15 лет вырасти до 1 трлн. долл. В том числе в промышленности материалы с высокими заданными характеристиками, которые не могут быть созданы традиционными способами, могут в ближайшие 10 лет занять рынок объемом 340 млрд. долл. [5].

Рабочая группа по Форсайту РНЦ «Курчатовский институт»  считает [9], что к 2015 году будет происходить  формирование рынка потребителей наноматериалов и псевдонаноматериалов (рыночных высокотехнологичных продуктов, заявленных как нанотехнологические, но таковыми не являющихся). Появится большое число потребительских нанопродуктов, в которых тем или иным образом используются нанотехнологии, конструкционные композитные материалы на базе высокопрочных волокон (углеродных нанотрубок) для промышленного применения, например, в авиастроении, автомобильной и военной технике; увеличится применение нанопорошков и нанопокрытий, в том числе в машиностроении, применение нанотехнологий для производства абразивных материалов, буровых и металлообрабатывающих инструментов.

Отечественный уровень научно-технологических  разработок в этих областях соответствует  мировому, а порой и превосходит  его. Исследования по данной проблеме проводятся в рамках академических  институтов, частично вузов, входят отдельными разделами в отраслевые программы, но, как правило, не заканчиваются практическим внедрением результатов. Сотни российских специалистов работают в инофирмах.

Российские достижения в нанотехнологии.

В последнее  время и в России наметились определенные успехи в практической реализации научных исследований. Так, наноструктурированная продукция инструментального и триботехнического назначения уже сейчас не уступает лучшим зарубежным аналогам

В отчете ФЦНТП [6] представлены результаты внедрения в производства ряда изделий с применением нанотехнологий, в том числе непосредственно для машиностроения или которые могут быть применены на предприятиях данной отрасли.

Так на СП «Мосвирт»  методом ИПД организовано производство поворотных резцов с наноструктурными кернами для фрезерования асфальтобетонных покрытий дорог, пластов в соле и угледобыче. Объем продаж таких резцов за последние пять лет достиг 5 млн. долл. Освоено производство пластин режущего инструмента с объемом выпуска 1 млн. шт. в год. Освоено производство наноструктурированных гидроштампованных нержавеющих фитингов (крестовины, угольники, переходники). Сортамент – сталь 12Х18Н ЮТ диаметр 6–50 мм, толщина стенки 0,8–2 мм

Созданы промышленные образцы новой импортозамещающей продукции и инновационных проектов в области объемного наноструктурирования традиционных металлов, обеспечивающих повышение долговечности. Это стальные и керамические изделия конструкционного, инструментального и триботехнического назначения, нержавеющие оболочки для малых космических аппаратов и ветроэнергетики, фитинги нового поколения; изделия для авиакосмического, энергетического и транспортного машиностроения, строительных, добывающих и перерабатывающих отраслей. Объем требуемых инвестиций на завершение ОКР и организацию промышленного производства по всей номенклатуре оценивается в 34 млн. долл. По расчетам авторов разработок при импортозамещении всего 1% рынка инвестиции окупятся за 1,5 года.

Без изменения  химического состава стандартных  быстрорежущих сталей и твердых сплавов ВК и ВМ за счет термоциклического наноструктурирования и ионного синтеза SiC и SiO2 из плазмы кремния создан уникальный металло­ и деревообрабатывающий строительный и буровой комбинированный инструмент, не имеющий аналогов по стойкости и на 15-20% дешевле лучших мировых образцов.

Заметный прогресс достигнут в области производства ультрадисперсных нанопорошков. Расширяются  и области их применения. Так, выпускаемые  концерном «Наноиндустрия» наноразмерные  порошки на основе серпентинитов нашли массовое применение в узлах трения практически всех видов оборудования. Речь идет о технологии восстановления изношенных узлов и механизмов промышленного оборудования до первоначальных параметров с помощью специальных ремонтно-восстановительных составов (РВС). Стоимость ремонта по РВСтехнологии в 2–3 раза ниже, чем при использовании обычных технологий, что позволяет заменить плановые ремонты планово­предупредительной обработкой с увеличением межремонтного срока в 1,52 раза. Экономия электроэнергии и топлива после РВС составляет 10-15%.

Эта технология уже используется на ряде крупных  предприятий: в ГУП «Мосводоканал», на Московской железной дороге, во ФГУП ММП «Салют», ОАО «Аэроприбор», ОАО  «Карачаровский механический завод», на Московском метрополитене, в грузовом аэропорту Шереметьево. Ее успешные испытания прошли в странах Европы. Значительный эффект обеспечивается не только при получении наноструктур объемных материалов на металлической или керамической основе, но и в результате образования в поверхностных слоях изделия нанофазных комплексов, например, путем имплантирования ионов Сr. Ti, С в поверхности контактирующих деталей. Наноструктуризация поверхностей деталей под­шипников повышает их долговечность в 2 3 раза (с 150 200 до 500 600 млн. циклов), долговечность инструмента возрастает в 5 6 раз.

Порошки медных сплавов в течение длительного  времени используются для производства противоизносных препаратов марки  РиМЕТ. Реметаллизанты серии РиМЕТ  – это препараты, включающие наночастицы, особо активные в зонах трения и покрытые специальной оболочкой. Частицы свободно циркулируют в масле, не взаимодействуя с ним, а используя его как средство доставки в зоны трения. Здесь под действием высокой температуры и давления частицы активируются и начинают создавать на поверхности пар трения новый слой. Этот слой образуется при взаимодействии частиц препарата и продуктов износа металлической поверхности и принимает на себя всю нагрузку с поверхности пар трения. При этом наблюдаются следующие процессы: нормализация структуры кристаллической решетки, снятие поверхностной усталости, заполнение задиров.

РиМЕТ 500 – реметаллизант, эффективный с любыми типами моторных масел, разработан специально для сельхозтехники и двигателей транспортных средств. При его использовании существенно повышается ресурс двигателя, увеличивается мощность. В случае систематического применения РиМЕТ 500 (при каждой замене масла) значительно возрастает межремонтный пробег, снижается расход масла, уменьшается уровень шума и содержание оксида углерода в выхлопных газах, облегчается запуск двигателя.

В настоящее  время на передовых предприятиях машиностроительного комплекса  Воронежа реализуются восемь основных технологий на наноуровне, шесть из которых непосредственно для  машиностроения, в том числе [11]:

• электроэрозионная наноразмерная обработка профилированным и непрофилированным инструментом на электроискровых станках с программным управление
• электрохимическая отделочная и размерная обработка рабочих поверхностей нагруженных деталей для регулирования микротопографии поверхности на наноуровне;
• ионно­плазменное упрочнение инструмента, штампов, деталей машин с нанесением алмазоподобного покрытия толщиной до 2 мкм (без изменения шероховатости поверхности, при нагреве изделия менее 100°С), обеспечивающее повышение работоспособности изделий на порядок;
• модификация поверхности за счет скоростных химико термических взаимодействий плазменных струй с поверхностью металла с целью повышения износо и коррозионной стойкости и твердости низкоуглеродистых легированных сталей;
• закалка поверхности на глубину до 1,5 2 мм (с оплавлением или без оплавления) с возможностью регулирования параметров поверхностного слоя;
• ионно­плазменное осаждение: благодаря тому, что в его основу заложен универсальный принцип ионного испарения, установка позволяет получать тонкопленочные покрытия (до [мкм] из широкого спектра материалов: практически любого состава с заданной структурой – нанокристаллической, аморфной, кристаллической, композитной.

Таблица 1

Классификация нанотехнологий для машиностроения[11]

Продолжение табл. 1

Базовые установки  и технологии нанесения тонкопленочных (от 10 нм до 50 мкм) наноструктурированных покрытий с использованием высокоскоростного ионно­плазменного и ваукуумно­дугового напыления, разработанные ФГУП ВНИИНМАШ имени академика А.А. Бочвара и ООО «МЭШ плюс», обеспечивают:

• нанесение многокомпонентных, сложных по составу и структуре материалов, включая наноструктурированные и многослойные покрытия;
• создание новых материалов в виде покрытий и порошков, включая нанокластерные;
• снижение стоимости 1 м² покрытия, нанесенного в вакууме, до стоимости аналогичного покрытия, нанесенного гальваническим путем.

Из данных наноматериалов может быть изготовлена различная  уникальная продукция: изделия авиационнокосмической  техники 5го поколения, жидкие и твердые  смазки для пар трения, суперэффективные химические аккумуляторы для синтеза новых веществ и др.

В МИСиС разработан процесс получения покрытий на поверхности  материала рабочих поверхностей электрода, находящегося в электролите, на поверхности которого при пропускании  электрического тока загораются перемещающиеся микродуговые разряды, температура в которых достигает 7000^оС. Рост покрытия происходит вследствие высокотемпературного экзотермического окисления. Данная технология микроплазменного оксидирования дает возможность получения покрытий, характеризующихся высокими твердостью (до 1950 HV), износостойкостью, защитно­коррозионными свойствами и адгезией к металлической основе.

Перспективы развития нанотехнологии.

Из более 80 проектов, включенных в ФЦП «Исследования  и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы» только 8 посвящены их практическому использованию в машиностроении. Так же только 7 проектов, внедрение которых планируется осуществить в машиностроении (из 37 для всех отраслей), одобрены к финансированию ГК «Роснанотех», в том числе:

• создание серийного применения очищенного модифицированного монтморрилонита и полимерного нанокомпозита на его основе;
• создание промышленного производства оборудования для синтеза многофункциональных нанокерамических покрытий;
• создание массового производства сверхвысокопрочных пружин;
• создание производства износостойких изделий из наноструктурных керамических и металлокерамических материалов;
• создание производства монолитного твердосплавного металлорежущего инструмента с наноструктурированным покрытием;
• производство режущего инструмента из сверхтвердого материала;
• серийное производство электрохимических станков для прецизионного изготовления деталей из наноструктурированных материалов и нанометрического структурирования поверхности.

Параллельно будет  осуществляться внедрение уже имеющихся  разработок.

Так в разделе  «Машиностроение и металлургия» постоянно действующей выставки «Нанотехнологии и наноматериалы» МИСиС (Москва) представлено около 20 разработок практического применения нанопродукции для машиностроения на уровне опытных промышленных образцов и готовых технологий, в том числе: прецизионный жаропрочный медный сплав с многослойными фуллероидными наноструктурами «Астрален» для Московской монорельсовой дороги, резцовые вставки из поликристаллических алмазов и нитрида бора, технология микроплазменного оксидирования для нанесения оксидно­керамического нанокристаллического покрытия и др. Работы по разработке и внедрению нанотехнологий и наноматериалов ведутся непосредственно на машиностроительных предприятиях в содружестве с институтами.

Повышение свойств, например, нанометалла, при использовании  взамен аналога позволяет [10]:

1. Снизить расход  металла за счет облегчения  мас­сы изделий в связи с уникальными физико-механическими свойствами материалов.

2. Снизить затраты  в процессе эксплуатации более  легких изделий.

3. Повысить надежность  и срок службы изделий.

4. Снизить затраты  на обработку, например в результате  улучшения штампуемости.

5. Повысить стойкость  инструмента.

Применение  объемных наноматериалов на металлической  основе делает возможным инновационное  перевооружение промышленности: авиакосмического, энергетического и транспортного машиностроения, станкоинструментальной, горнодобывающей, медицинской промышленности и ТЭК. Ресурс изделий различного назначения, изготовленных по новой технологии, может увеличиться от 200 до 500% .

Для известных  автомобилестроительных фирм разработаны  или разрабатываются ниже приведенные  полимерные нанокомпозиты. Они предназначенны для ненагруженных элементов и деталей кузова и подкапотного пространства автомобиля и двигателя, внешней облицовки (молдинги, бамперы, обвесы, спойлеры и др.), внутренних элементов (панели приборов, перегородки, усиливающие элементы кресел, коврики, шумо, пыле, грязезащитные элементы и др.), трубок и быстроразъемных систем топливоподачи, трубок, дефлекторов и направляющих кожухов системы охлаждения двигателя и кондиционирования салона, трубок подвода и отвода масла, щеток стеклоочистителя, шин и др. [12]:

• силикатные нанокомпозиты на основе нейлона6 (фирмы Toyota и Mitsubisi и фирма UBE (США));
• нанокомпозиты на основе термопластичных олефинов (корпорация Volvo, General Motors);
• каучуковые нанокомпозиты;
• биоволокнистые нанокомпозиты;
• биопенопласты;
• углерод­полимерные нанокомпозиты с использованием нанотрубок;
• нанокрасители, отталкивающие грязь с поверхности облицовки, самоочищающие и противообледенительные составы, а также многофункциональные наноуглепластики с плотностью 400 кг/м³, позволяющие изменять первоначальный цвет окраски по желанию потребителя.

Кроме того непосредственно  в машиностроении уже используются технологии и оборудование для изготовления деталей машин с нанометровой точностью и в этом направлении  продолжаются дальнейшие исследования: электроискровая и электрохимическая обработка, фрезерование, шлифование, полирование, доводка и др.

Экономическая эффективность.

Эффект от использования  наноматериалов выражается в экономии средств на транспортировку, сокращении энергозатрат, ослаблении нагрузки на окружающую среду, повышении эксплуатационных свойств. Несмотря на ожидаемое развитие производства изделий с их использованием, до сих пор нет обобщающих работ по оценке экономической эффективности этого направления науки и техники. В работе [14] впервые предпринята попытка восполнить этот пробел. Сложность ее заключается в том, что до сих пор, как упоминалось ранее, идут в основном научные проработки на лабораторном уровне. Существует множество вариантов получения необходимых свойств. Поэтому пришлось выбрать определенные наиболее вероятные цепочки техники и технологии получения и использования наноматериалов и на основе аналогий определить затраты на производство.

Оценка экономической  эффективности использования наноматериалов проводилась путем сопоставления их оценочной стоимости со стоимостью заменяемого металла (сплава) с учетом оценки возможного изменения его расхода и эксплуатационных показателей изделий. Ориентировочная оценка эффективности использования наноматериалов представлена в табл. 2.

Таблица 2

Эффективность использования наноматериалов

Продолжение табл.2

Заключение.

На основании  анализа открытых информационных источников установлено:

• машиностроение, в основном, является потребителем как наноструктурных, так и наноструктурированных материалов, и нанотехнологий;
• отечественный уровень разработок наноматериалов и нанотехнологий для машиностроительных отраслей соответствует мировому, а порой и превосходит его;
• нанотехнологии и наноматериалы могут найти применение во всех технологических переделах машиностроительного производства: литейное (ультразвуковые нанотехнологии подготовки формовочных материалов и изготовления гипсовых форм с повышенными физикомеханическими свойствами для цветного литья [15], влияние наносекундных электромагнитных импульсов на расплавы цветных металлов [16] и др.), кузнечнопрессовое, сварочное, инструментальное производства, термообработка, гальваника, сборка, нанесение изно, коррозионностойких, лакокрасочных, воодоотталкивающих и других покрытий, а также при ремонте как технологического, так и выпускаемого предприятием оборудования;
• тормозом для освоения нанотехнологий и наноматериалов для машиностроения является как низкий технический уровень предприятий машиностроительных отраслей России, так и отставание России в производстве наноматериалов (нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов и др.). Так, если, например, производство наноалмазных порошков серийно освоено на нескольких предприятиях (заводы в Ленинградской и Свердловской областях), то выпуск нанотрубок насчитывает единицы килограммов (нет спроса). В то же время на заводах стран Евросоюза объем производства нанотрубок – сотни тонн в год.
• существующие ставки банковского кредита делают невозможным рентабельное освоение инноваций;
• недостаточное внимание вопросам обучения и повышения квалификации специалистов – будущих потребителей нанотехнологий и наноматериалов (в том числе руководителей и специалистов машиностроительных отраслей промышленности), а также пропаганде достижений в области наноиндустрии для машиностроения.