Тенденции развития новых производственных нанотехнологий

Промышленно развитые и развивающиеся страны развертывают широкомасштабные программы поддержки развития перспективных производственных технологий в различных секторах экономики. Для создания аналитической основы формирования приоритетов поддержки отечественных новых производственных технологий, оценки экономически и социально значимых направлений международного сотрудничества для российских компаний, тенденций изменений структуры и параметров мирового промышленного рынка, формирования системной программы государственной поддержки развития нового поколения производственных технологий ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ  с привлечением ученых и специалистов Федерального реестра экспертов «Анализ уровня и тенденций развития новых производственных технологий».

В данном материале приводим данные по приоритетному направлению развития науки, технологий и техники «Индустрия наносистем».
1. Устройства для молекулярно-лучевой эпитаксии
Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) – один из самых перспективных на сегодняшний день технологических методов выращивания тонких монокристаллических слоев и полупроводниковых структур на их основе. МЛЭ представляет собой усовершенствованную разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума. Давление остаточных газов в вакуумной камере поддерживается ниже 1*10-8Па (~10-10 мм рт. ст.). Потоки атомов или молекул образуются за счет испарения жидких или сублимации твердых материалов, которые располагаются в источнике – эффузионной ячейке, затем направляются на подложку и осаждаются там с образованием вещества требуемого состава. Температура эффузионной ячейки определяет величину потока частиц, поступающих на подложку, и тщательно контролируется. От правильно выбранных соотношений между интенсивностями падающих пучков и температуры подложки зависит успех процесса эпитаксии. Основные характеристики метода МЛЭ:

  • малая скорость роста, порядка 1 мкм/ч;
  • относительно низкая температура роста (температура подложки);
  • возможность резкого прерывания и возобновления роста за счет использования механических заслонок вблизи эффузионных ячеек;
  • возможность введения различных парообразных компонентов для изменения состава слоя и управления концентрацией примесей путем введения дополнительных источников;
  • наличие атомно-гладкой поверхности растущего кристалла;
  • возможность анализа и контроля в ходе роста.

 

2. Устройства для создания крупномерных пространственных тканных структур
Технология позволяет получать крупномерные цельно тканые структуры для создания композиционных материалов, применяемых в авиации, судостроении и других отраслях.
Выпуск трехмерных тканей затруднен вследствие особенностей их формирования и ограниченного количества специализированного ткацкого оборудования. Данные конструкционные материалы широко используются при изготовлении различных транспортных средств (автомобилей, яхт, авиационной техники). Однако следует отметить, что не имеется публикаций, свидетельствующих, что используемые наполнители имели значительную толщину. Как правило, данный показатель армирующих наполнителей достигается за счет склеивания однослойных и многослойных тканей небольшой толщины. Требуемая форма композиционных материалов получается за счет их дополнительной обработки.
Эти обстоятельства ведут к большим энергозатратам, чрезмерному расходу дорогостоящего сырья.
3. Инженерия костной ткани на основе биосовместимых и биорезорбируемых композиционных материалов, адаптированная к технологиям быстрого прототипирования
Биосовместимые и биорезорбируемые структуры являются одним из ключевых элементов тканеинженерных конструкций. К ним предъявляются жесткие требования. В том числе, они должны формироваться из биологически совместимых материалов, способных к биодеградации в среде организма, и замещаться естественной тканью. При этом материалы должны обладать высокой пористостью, а имплантаты из них – иметь заданную геометрическую форму. Для формирование таких структур наиболее перспективны современные технологии быстрого прототипирования.
4. Технология интенсивной пластической деформации и оборудование по схеме непрерывного совмещенного литья-прессования способом конформ для получения проволоки электротехнического назначения из высокопрочных наноструктурных алюминиевых сплавов, обладающих высокими термической стабильностью свойств и электропроводностью.
Современное развитие производства проволоки и катанки из цветных металлов и сплавов характеризуется применением непрерывных литейно-прокатных агрегатов (ЛПА), совмещающих в себе процессы непрерывного литья заготовок и последующей прокатки их на непрерывном стане. Производство алюминиевой проволоки этим способом в настоящее время составляет более 80 % общего объема ее производства, а медной катанки – до 100%. Конкуренция в этой области требует создания отечественных эффективных интегрированных производств, реализующих технологии получения изделий из цветных металлов методами совмещенной обработки на уровне мировых стандартов. В настоящее время фирма «Continius Properzzi» являемся мировым лидером в области технологии непрерывного литья и проката катанки: из алюминия и его сплавов. В разных странах мира были сданы в эксплуатацию свыше 400 линий различной производительности. На оборудовании «Continius Properzzi» во всем мире производится свыше 80% катанки из алюминия и его сплавов и 40% медной катанки. В мире в среднем производство проводниково-кабельной продукции (КПП) потребляет до 6% перерабатываемого алюминия, а в РФ для производства данной продукции направлено до 30% от общего объема, реализованного ОК «РУСАЛ» алюминия. По состоянию на 2013 г. емкость российского рынка КПП оценивается более чем в 6 млрд. долл., а ежегодный потенциал роста в среднем составляет около 20%. Основную долю в структуре производства занимают провода и шнуры силовые, на них приходится порядка 45% продукции. На втором месте сегмент силовых кабелей – 35%. Различные виды шнуров связи, а также кабели управления, контроля и сигнализации в сумме занимают не более 20%. Такое перераспределение долей в сторону силовой кабельно-проводниковой продукции обусловлено в первую очередь тем, что порядка 70% произведенной в России КПП идет на комплектование энергетического сектора экономики. На сегодняшний день импорт занимает не более 25% российского рынка, а остальные 75% приходятся на долю отечественных производителей.
В настоящее время за рубежом для производства КПП в основном применяются Al-Zr сплавы, которые обеспечивают работоспособность проводов для воздушных линий электропередач при температурах до 2500С. Поэтому для создания конкурентоспособной продукции на базе отечественного эффективного оборудования необходимо решение следующих задач:
Разработка и исследование новых алюминиевых сплавов с переходными и редкоземельными металлами. Первая группа включает низколегированные сплавы системы Al-Zr, которые обладают высокими прочностными свойствами при высоких температурах. Вторая группа сплавов системы Al–РЗМ (церий, лантан и др.) характеризуется повышенными прочностными свойствами (временное сопротивление разрыву до 220 МПа) и термостойкостью
Разработка и исследование обработки новых сплавов с применением энергоемких технологий ИПД и эффективного оборудования.
Наиболее эффективным является метод непрерывного совмещенного литья-прессования способом конформ, когда в одном агрегате реализуется непрерывный процесс кристаллизации обрабатываемого металла и за счет прессования под действием активных сил трения, обеспечивается ИПД, что гарантирует получение длинномерной проволоки из высокопрочных наноструктурных алюминиевых сплавов, обладающих высокими термической стабильностью свойств и электропроводностью.

 
5. Высокопроизводительная технология получения волокнистого материала состоящего из наноразмерных волокон, методом электроформирования
Нановолокнистые полимерные материалы имеют широкую сферу применения. Они могут использоваться в таких отраслях как: медицина (создание лекарственных средств и биосовместимых контейнеров для их доставки, биосовместимые раневые покрытия и др.), легкая промышленность (создание покрытий, обладающих гидрофильными и гидрофобными свойствами, фильтрационные и мембранные материалы), в других отраслях для акустической изоляции. Изучается возможность применения таких материалов для получения новых композитных материалов.
Для широкого использования необходимо создание высокопроизводительных способов получения и освоение технологии создания нановолокнистого материала широкого диапазона полимеров. Наиболее распространенный способ – электроформирование нановолокон. В настоящее время одно из наиболее развивающихся направлений в области получения нановолокон различного назначения.
Тенденции развития заключаются в разработке новых наноструктурных материалов многоотраслевого применения и создании нового, более производительного и более совершенного метода для электроформирования нановолокон.
6. Перспективные технологические процессы на основе новых технологических методов для массового/серийного производства новой промышленной продукции производственно – технического назначения – объёмно-наноструктурированных конструкционных материалов с повышенной прочностью
Перспективные технологические процессы для массового/серийного производства новой промышленной продукции производственно-технического назначения – объёмно-наноструктурированных конструкционных материалов с повышенной прочностью на основе новых технологических методов:

  • нового металлургического метода недендритной или направленной кристаллизации;
  • нового металлургического метода – легирования малыми добавками редкоземельных и/или переходных металлов;
  • нового металлургического метода создания в материале аморфных и смешанных аморфно-кристаллических структур;
  • новых методов порошковой металлургии – консолидацией интенсивной пластической деформацией микронных и наноструктурных порошков металлов, сплавов и керамических материалов;
  • новых методов объёмного наноструктурирования интенсивной пластической деформацией (ИПД) металлов и сплавов.

7. Механоактивационное введение наноструктурированных порошков металлов и оксидов в присадочные материалы.
В настоящее время высокоэнергетическое воздействие широко применяется для получения неразъемных соединений и поверхностей деталей узлов и машин широчайшей гаммы металлических, неметаллических и композиционных конструкционных материалов в условиях земной атмосферы, Мирового океана и космоса. Несмотря на непрерывно увеличивающееся применение в конструкциях и изделиях легких сплавов, полимерных материалов и композитов, основным конструкционным материалом остается сталь. Мировой рынок техники и услуг по высокоэнергетической обработке материалов возрастает пропорционально росту мирового потребления стали.
Легированные стали обладают высоким комплексом эксплуатационных свойств и используются для производства ответственных конструкций, деталей узлов и машин большого спектра применения. Они обеспечивают высокую прочность конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Однако под высокоэнергетическим воздействием термического цикла в зоне термического влияния (ЗТВ) поверхностей и соединений металла формируются закалочные структуры, характеризующиеся большими значениями твердости при низких значениях вязкости. Поэтому на ЗТВ приходится наибольшая доля образующихся холодных трещин.
Для предотвращения образования холодных трещин, как правило, прибегают к дополнительным операциям, усложняющим технологический процесс и увеличивающим затраты на изготовление деталей узлов, машин и конструкций. В отечественной и зарубежной практике для этой цели широко применяют предварительный подогрев и последующую термообработку. Такая технология позволяет в известной степени снизить уровень содержания водорода в обрабатываемом металле, скорости охлаждения металла и ЗТВ и увеличить время протекания структурных превращений. С другой стороны, указанная технология требует тщательного контроля температуры и параметров высокоэнергетического процесса, а неравномерность подогрева и термической обработки крупногабаритных изделий ведет к возрастанию внутренних напряжений, деформации. Кроме того, применение предварительного подогрева и термообработки связано с дополнительными затратами разного рода ресурсов.
Существуют различные пути повышения эксплуатационных свойств деталей узлов, машин и конструкций из легированных сталей и их сопротивления образованию холодных трещин при сварке. В то же время, ни один из них не может претендовать на роль универсального подхода к решению существующей проблемы.
Современные исследования в области управления физико-химическими и тепловыми процессами при высокоэнергетическом воздействии на различные материалы направлены лишь на оценку влияния по отдельности: энергетическое воздействие; физическое воздействие; химическое воздействие. Комплексное воздействие на протекающие процессы в указанной системе, а именно «физико-химическое» + «энергетическое» влияние, позволит получить более полную модель, описывающую процессы при высокоэнергетическом воздействии на сталь при получении неразъемного соединения. Данная модель будет способствовать развитию представлений о процессе формирования заданных качественных и количественных характеристик поверхности и изучению динамических процессов в зоне воздействия с учетом различных факторов.
В основу нового метода заложена идея принципиально нового подхода к управлению формированием сварных соединений и поверхностей изделий за счет введения в зону высокоэнергетического воздействия легкоионизируемых активаторов-модификаторов – наноструктурированных порошков металлов и оксидов, методом механоактивации компонентов на стадии изготовления присадочного материала.
8. Новые материалы и композиции (конструкции) из материалов (включая композиционные материалы различных типов, материалы с заранее заданными свойствами)
Известно, что свойства изделий определяются фазовым состоянием материалов, из которых изготовлены данные изделия. В данной технологии планируется практическое применение идеи управляемой генерации требуемой фазы, основываясь на установленной нами связи диаграмм фазовых равновесий исходных систем с поверхностями скоростей зародышеобразования. Эта связь, в принципе, позволяет оптимизировать условия преимущественного получения наперед заданной фазы для макроскопических изделий. Существенный резерв оптимизации генерирования заданной фазы открывается для технологий, производящих наноматериалы, таких как покрытия, волокна и наночастицы. Если для получения наперед заданной фазы в макроскопических изделиях уже накоплен определенный опыт, то при переходе к наноуровню, такой опыт еще нарабатывается. Использование топологии поверхностей скорости зародышеобразования, построенных над диаграммами равновесия фаз, позволяет получать заданные фазы, существенно удешевляя затратный эмпирический поиск необходимых условий генерации искомой фазы. В некоторых случаях использование поверхностей скоростей зародышеобразования может быть практически единственным вариантом получения требуемого фазового состава в целевом продукте.
9. Жидкокристаллические материалы для энергосберегающих дисплеев и фотонных устройств нового поколения
Создание дисплеев без матрицы цветных фильтров значительно (на одну треть) удешевит их производство, улучшит их оптические характеристики, такие как яркость, разрешение (каждый пиксель будет полноценным пикселем, а не одним из трех подпикселей) и цветовая гамма, а также позволит сэкономить до 70 % энергии, потребляемой дисплеем, поскольку можно будет использовать гораздо менее яркий источник света, не уменьшая при этом яркость самого дисплея. Оценочная экономия энергии каждым таким дисплеем составляет около 20 Вт.
Новая технология изготовления энергосберегающих дисплеев требует разработки новых наноструктурированных ЖК материалов, которые существенно быстрее, чем нематические жидкие кристаллы (НЖК). В настоящее время для пико-проекторов на сегнетоэлектрических жидких кристаллах разработана технология последовательного чередования цветов подсветки (ПЧЦ). При использовании технологии ПЧЦ человеческий глаз усредняет цвета во времени, а не в пространстве. Быстродействие НЖК недостаточно высоко для использования технологии последовательного чередования во времени цветов подсветки. В то же время, существующие сегнетоэлектрические (смектические) жидкие кристаллы (СЖК) недостаточно устойчивы по отношению к внешнему механическому воздействию, и поэтому не используются для создания больших дисплеев. Придание СЖК текучести, как у НЖК, при сохранении их высокого быстродействия могло бы создать предпосылки для разработки жидкокристаллических электрооптических сред нового поколения, возможности которых гораздо больше, чем у НЖК. Время отклика ЖК ячейки дисплея с последовательным чередованием цветов подсветки должно быть по крайней мере менее 1 мс (кадровая частота 240 Гц), для того чтобы обеспечить высокое разрешение, низкое энергопотребление и широкую цветовую гамму, тогда как еще на порядок выше рабочие частоты требуются для предотвращения эффекта прерывания цвета.
В течение последних десяти лет российскими учеными были разработаны сегнетоэлектрические и антисегнетоэлектрические жидкие кристаллы, которые значительно быстрее, чем НЖК. При определенных условиях электрооптический отклик СЖК и антисегнетоэлектрических ЖК является непрерывным, безгистерезисным и нечувствительным к знаку приложенного напряжения. Также проведена серия теоретических работ, в которых впервые на молекулярном уровне была исследована структура сегнетоэлектрических и антисегнетоэлектрических смектических фаз и ее поведение в электрическом поле.
В стадии разработки находятся и противошоковые электрооптические ячейки на основе СЖК, демонстрирующие качество ориентации не хуже, чем обычные ячейки с закрученным нематиком, и по-прежнему работающие на частоте до 1 кГц при напряженности электрического поля 1 В/мкм. Мы ожидаем, что именно этот тип СЖК при условии его оптимизации может открыть дорогу промышленному производству дисплеев с последовательным чередованием цветов подсветки.
В настоящее время в России разработаны принципы создания дисплейных ячеек на основе сегнетоэлектрических смектических жидких кристаллов с субмикронным шагом спирали. Состояние смектического жидкокристаллического материала может меняться под воздействием электрического поля, и пропускание света меняется независимо от длины волны, что необходимо для создания ЖК-дисплея без цветных фильтров.
10 Новые эффективные модифицированные углеродные наноматериалы как адсорбенты, селективные по заданному компоненту (щелочные и щелочноземельные, тяжелые, токсичные и благородные металлы).
Применение — для извлечения компонентов из газовых и жидких сред, включая очистку промышленных стоков и природных вод, в медицине как энтеро- и гемосорбенты. Уникальные адсорбенты на основе наноуглерода стали незаменимыми при создании новых индивидуальных и коллективных средств защиты от загрязнений среды, в медицине как средства коррекции внутренней среды организма (энтеро- и гемосорбенты) и при удалении из организма токсичных веществ. Развитая удельная поверхность углеродного материала, как правило, обеспечивает высокую адсорбционную активность по отношению к адсорбатам разной природы. Такие материалы перспективны как адсорбенты в устройствах хранения водорода, метана или природного газа, как материалы для двухслойных конденсаторов.
Существенным фактором и одной из главных особенностей наноуглеродных материалов является их повышенная реакционная активность. Они легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На их основе можно целенаправленно создавать новые вещества с заданными свойствами. В этом плане представляет значительный интерес создание и применение нанокомпозиционных углеродных материалов (гибридных активных структур) с иммобилизованными соединениями, например, сурьмяной кислотой, что позволяет получить селективные сорбенты по щелочным и щелочно-земельным металлам, особенно натрию.
В настоящее время токсичные и тяжелые металлы являются наиболее распространенными загрязнителями, которые содержатся в водных источниках, что создает большую проблему для окружающей среды и здоровья населения.
Зачастую основными источниками загрязнения являются промышленные предприятия. Проблема состоит в том, что ионы тяжелых металлов являются стабильными и стойкими загрязнителями окружающей среды, поскольку они не разлагаются и не разрушаются.
Сорбционные технологии, традиционно используемые для извлечения тяжелых металлов из водных растворов, являются достаточно эффективными, особенно в области малых концентраций. К основным недостаткам адсорбционных методов извлечения можно отнести невысокую эффективность, короткий срок службы адсорбентов, часто обусловленный низкой регенерационной способностью, и, безусловно, стоимостью. Сделать сорбционные методы более эффективными можно, прежде всего, за счет разработки недорогих сорбентов, селективных к удаляемым примесям. Для разработки нового поколения эффективных сорбентов и правильной схемы их применения необходимы знания о совокупности физико-химических характеристик сорбции, поскольку этим и определяется эффективность извлечения микрокомпонентов.
В этой связи в ИНХ СО РАН в течение последних 15 лет проводятся исследования по разработке нового поколения эффективных сорбентов, используя нанопористые углеродные матрицы, как синтетические, производства Омского ИППУ, так и природные каменные и бурые угли. Комплексом физико-химических методов изучены процессы окисления, гидролиза и химического модифицирования этих матриц. Предложены простые и технологичные способы получения модифицированных нанокомпозитных сорбентов селективных на ртуть, кадмий, никель, медь, свинец, рубий, цезий, стронций и др. металлы, в том числе благородные. Разработаны и утверждены технологические инструкции на процесс получения и регенерации сорбента НУМС-J, созданы условия его выпуска для очистки воздуха, сточных и технологических щелочных растворов от ртути. В рамках выполнения Госконтракта No 16.515.11.5022 в ИНХ СО РАН была разработана технология переработки и утилизации ртутьсодержащих отходов, в том числе отработанных компактных люминесцентных и других ртутных ламп, отработаны параметры технологии и создана установка по демеркуризации, разработан демеркуризационный комплект для населения.
11. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы на основе систем ZrB2-SiC и HfB2-SiC
В настоящее время наблюдается интенсивное развитие технологий создания ультравысокотемпературных материалов на основе боридов циркония и гафния с добавкой карбида кремния или силицидов тугоплавких металлов, которые считаются перспективными для изготовления термонагруженных узлов летательных аппаратов, в том числе и гиперзвуковых.
12. Нанокомпозиты на основе модифицированных силикатных частиц
Органо-неорганические гибридные композитные материалы сочетают свойства полимерной матрицы (гибкость, диэлектрическая проницаемость, химические свойства) и неорганического наполнителя (структурная жёсткость, термостабильность, способность к поглощению различных видов радиационного излучения). В настоящее время нанокомпозиты на основе силикатных частиц являются наиболее распространёнными. Как правило, введение силикатных наночастиц в полимерную матрицу приводит к повышению термомеханической стабильности, к снижению терморасширения, остаточного напряжения, повышенной антиабразивной устойчивости, улучшению оптических и электрических свойств; введение силикатных наночастиц, в частности, позволяет достичь более высокой оптической прозрачности.
Кремнийорганические коллоидные структуры привлекают повышенное внимание исследователей благодаря ряду практически полезных свойств, открывающих широкие возможности для создания гибридных органо-неорганических материалов на их основе. Так, они применяются для улучшения термомеханических характеристик полимерных материалов, в частности, для повышения эксплуатационных характеристик топливных мембран, оптических устройств, композитных материалов. Широкое применение коллоидных структур на основе диоксида кремния обусловлено их низкой токсичностью.
Особенно перспективным является создание нанороботов, способных выполнять определенные медицинские операции в теле пациента. Весьма интересны в практическом отношении нанокатетеры, позволяющие эффективно осуществлять диагностику и терапию в кровеносных сосудах и кишечном тракте, а также дозирующие и распределительные наноустройства, обеспечивающие доставку лекарств, требуемых пациентам. Кроме того, малые размеры микрокомпонентов делают их идеальными для манипулирования биологическими образцами на микроскопическом уровне.
Другой не менее важной областью применения механических наноустройств является экология. В процессе решения экологических проблем эти устройства могут обеспечивать дистанционный мониторинг окружающей среды, включая отбор проб, анализ, обработку результатов и контроль на местности, то есть могут быть использованы для проведения так называемого внелабораторного анализа, позволяющего экономить средства на доставку проб в лабораторию.
Особым разделом наномеханики является наноробототехника. Нанороботы подразделяются на манипуляционные, имеющие разные степени свободы перемещения исполнительных органов, и мобильные, имеющие разные типы подвижного основания (колесные, шагающие, ползающие и т.п.). Особую группу гибридных наносистем образуют сенсоры, действие которых основано на селективном восприятии сигналов различной природы, в том числе биологических, химических, температурных и т.п., и их преобразовании в электрические. Весьма перспективным является создание бионаносенсоров, которые могут не только отслеживать состояние организма, но также, в случае острой необходимости (например, при резком ухудшении состояния здоровья), автоматически выполнять некоторые требуемые действия, например, «обращаться» к врачу и вводить в организм по полученным рекомендациям требуемые лекарства.
13. Новое поколение функциональных, композиционных и конструкционных материалов с ультрамелкозернистой структурой в инновационных процессах термодеформационного наноструктурирования
В настоящее время один из наиболее прогрессивных и высокоэффективных подходов к повышению комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств металлов и сплавов основан на целенаправленном формировании ультрамелкозернистой и наноструктуры материала различными способами.
Комплекс механических и физико-химических свойств материалов в значительной мере определяется фазовым составом и размером основных структурных составляющих. Гарантированное достижение комплекса трудносочетаемых свойств высокого уровня обеспечивается целенаправленным управлением микроструктурой материала на наноразмерном уровне и формированием концентрационных неоднородностей в субмикрообъемах материала на различных этапах производства. По данному вопросу опубликованы большое количество отечественных и зарубежных работ.
Однако, несмотря на многообразие разработок отечественных и зарубежных авторов и высокую эффективность некоторых из них, остаются нерешенными ряд научно-технических и технологических проблем, в том числе:
– жесткие ограничения по исходному химическому и структурно-фазовому составу сплавов, а также форме и геометрическим размерам заготовок из них;
— сложность или невозможность управления, контроля и прогнозирования формируемых структуры и свойств материала;
– необоснованность температурно-скоростных и иных режимов обработки;
– энерго- и материалоемкость производства, а также низкая производительность и экономическая эффективность процессов обработки;
– отсутствие или низкий уровень автоматизации и производительности технологического оборудования для получения материалов с заданной структурой и свойствами и др.;
Указанные проблемы снижают эффективность или исключают возможность массового производства высокотехнологичной продукции с ультрамелкозернистой и наноструктурой в условиях ведущих металлургических предприятий. Широкомасштабное внедрение методов термодеформационного наноструктурирования сдерживается несовместимостью скоростных и деформационных режимов технологических процессов промышленных производств. С этой точки зрения одной из актуальных проблем, решаемых в настоящее время исследователями, является создание таких методов термодеформационного наноструктурирования металлов и сплавов, которые по своим технологическим параметрам и производительности можно было бы адаптировать в действующее промышленное производство.

В качестве новых производственных технологий обработки материалов с применением процессов различной физической природы, обеспечивающих формирование ультрамелкозернистой и наноструктуры в материалах и достижение трудносочетаемых свойств высокого уровня предлагаются следующие:
1. Производство высокопрочной композиционной сталемедной проволоки методом термодеформационного наноструктурирования для инновационного применения и импортозамещения в приборостроении России.
2. Производство ультрамелкозернистой стальной проволоки с повышенными эксплуатационными характеристиками, основанной на применении впервые разработанного процесса деформационного наноструктурирования длинномерных заготовок.
3. Получение ультрамелкозернистых металлов высокоскоростной деформацией.
4. Разработка инновационной технологической схемы производства наноструктурированных стальных заготовок диаметром 10,0 мм с требуемым комплексом высоких механических свойств.
Впервые для достижения высокопрочного состояния и специальных свойств длинномерных заготовок, заготовок большого диаметра, композиционной сталемедной проволоки предполагается комплексное использование современных наукоемких термодеформационных способов воздействия на структуру углеродистых сталей с формированием в последних наноструктурного состояния. При этом реализация указанного воздействия базируется на применении высокопроизводительных модулей термической и деформационной обработки, отвечающим самым передовым технико-экономическим требованиям современного производства.
Кроме того, для решения задач по достижению необходимого комплекса свойств наноструктурированных сталей в процессах термодеформационного наноструктурирования эффективно использовать основные положения теории технологического наследования и, в частности, учитывать недетерминированный характер параметров состояния материала. Такой подход позволяет разрабатывать новые технологические мероприятия, направленные на разработку новых методов термодеформационного наноструктурирования сталей на основе использования существующих методов обработки давлением, а также проектирование технологий стадийной деформационной обработки. Применение механизмов наследственности и изменчивости свойств (признаков) объектов в многостадийных процессах термодеформационного наноструктурирования, сочетающих методы обработки различной физической природы, будут способствовать выработке эффективных решений по направленному технологическому воздействию на материал с целью формирования в нем требуемого регламентированного уровня свойств.
13. Магнитное смазочное масло
Магнитное смазочное масло сочетает в себе антифрикционные и противоизносные свойства высококачественного традиционного масла с ферромагнитными свойствами, обусловленными нанодисперсным наполнителем. Магнитное масло принципиально отличается от известных магнитных жидкостей по составу, структуре и технологии получения устойчивой коллоидной системы. Магнитное масло перспективно применять в прецизионных триботехнических узлах вычислительной техники для повышения их точности и долговечности, в узлах трения машин и механизмов работающих в вакууме (космическая техника, фармацевтическая промышленность), а также для смазки некоторых узлов военной техники, к которым предъявляются специфические требования, например, по виброаккустическим параметрам. В настоящее время магнитные смазки, в основном, создают путем введения соответствующих присадок в известные магнитные жидкости, но получить качественные смазочные масла таким путем не удается из-за их низкой коллоидной стабильности, плохих термоокислительных свойств. Перспективной считается такая технология, которая исходно направлена на получение масла с высокими смазочными и магнитными свойствами, т.е. не имеет ничего общего с тривиальным модифицированием известных коллоидов.
14. Многокомпонентные супрамолекулярные структуры, обладающие эффектом памяти в проводимости, на основе новых методов повышения концентрации и скорости рекомбинации носителей заряда в органических полупроводниках при модификации наноразмерными структурами и соединениями
Органические полупроводниковые материалы более десяти лет являются перспективными материалами для изготовления новых электронных устройств (систем обработки информации, светоизлучающими устройствами, элементов фотовольтаики). Однако низкая эффективность транспорта носителей заряда ограничивает их массовое внедрение.
Новые технологические процессы позволяют повысить эффективность транспортных систем за счет введения металлорганических соединений, углеродных или иных высокопроводящих нанокластеров. Также новые методы предлагают организацию принципиально новых механизмов передачи и хранения информации за счет обеспечения новых (квантовых) эффектов в области молекулярных контактов.
Существующие на данный момент технологии, такие как органические светоизлучающие диоды активно находят свое применение в мобильных приложениях, тем не менее уровень технологии, ее высокая себестоимость, а также нерешенные технологические проблемы в настоящий момент делают технологию неконкурентоспособной с имеющимися аналогами. Использование новых методов поможет снизить технологические риски, и дадут качественный скачок в массовом распространении технологии.
Использование наноструктурированных композитов в области органической (полимерной электроники) позволяет повысить соответствующие характеристики в областях применения получаемого материала. В частности, использование фуллеренов, как источников дополнительного заряда позволяет повышать КПД устройств фотовольтаики на основе органических полупроводников. С другой стороны, использование прозрачных проводящих пленок на основе углеродных нанотрубок в качестве катодов позволяет повысить механические свойства, а также коэффициент излучательной рекомбинации в органических светоизлучающих диодах. Также для улучшения КПД устройств фотовольтаики и оптоэлектроники применяется методика добавления органо-металлических комплексов. В области процессов обработки информации использование проводящих кластеров позволяет повысить быстродействие ионного обмена в проводящих системах и эффективную подвижность носителей заряда.
Методы включают в себя новые принципы и технологии формирования систем обработки информации с использованием переключаемых молекулярных систем на основе органических и биологических молекул, как элементов передачи, хранения и обработки информации. В связи с этим возникает возможность разработки соответствующих материалов, обеспечивающих, как возможность реализации активных функций, так и изменение свойств систем в зависимости от внешнего воздействия. Одним из таких направлений являются системы на основе нанокомпозитных органических (в том числе полимерных) материалов. В частности, уменьшение спонтанной (тепловой) перестройки молекулярных каналов может быть реализовано при создании функциональной связи молекул с внешней средой или основанием, обладающими на порядок меньшими колебаниями решетки (структуры).
Развитие технологии и общая тенденция на миниатюризацию электронных устройств привели к возникновению целого техничного направления в управлении транспортными свойствами отдельных молекул или молекулярных проводников. Одним из ключевых результатов, в области изучения молекулярных систем является возможность управления проводимостью одиночного молекулярного канала посредством приложения неразрушающих электрических напряжений. Этот эффект может быть использован для создания принципиально новых элементов памяти и логических устройств на их основе.
15. Создание мезоскопически-неоднородных n-компонентных сред с Ян-Теллеровскими ионами с гигантскими макроскопическими откликами, магнитоэлектрические взаимодействия, активные материалы
Поскольку возможности поиска и создания новых электрически(магнитно)активных материалов исчерпаны из-за практически полного использования существующих химических основ и способов получения, ограниченности функцией монообъектов, актуален переход к n-компонентным мезоскопически-неоднородным средам, сочетающим принципиально разные макроотклики (пьезоэлектрические, магнитные, сегнетоэластические). Наиболее перспективны из них – не содержащие токсичные элементы и имеющие в своем составе Ян-Теллеровские ионы. Однако, их использованию препятствует ряд негативных факторов, связанных с кристаллофизической спецификой таких объектов. Проект, в основном, направлен на исключение этих явлений, что облегчит поиск и создание практически востребованных функциональных материалов. В работе будут: установлены природа и механизмы формирования в глобальных структурах электрически активных веществ (соединений и n-компонентных твердых растворов) с Ян-Теллеровскими ионами состояний с магнитодиэлектрическими взаимодействиями, их влияние на макроотклики объектов; созданы фундаментальные основы процессов структурообразования таких сред с управляемыми (вариацией химического состава и термодинамической предысторией) магнитными и электрическими (диэлектрическими, пьезоэлектрическими, сегнетоэластическими) характеристиками; разработаны новые (патентночистых) нетоксичных термически устойчивых интеллектуальных (функциональных) материалов и экологически «комфортных» условий их получения с целевыми сочетаниями параметров для нужд аэрокосмической отрасли, энергетики, медицины, ИК- и биотехнологий.
Предложения по формированию программы государственной поддержки развития нового поколения производственных технологий
1. Новое поколение производственных технологий, позволяющих получать конечный продукт, должно базироваться на результатах, объединенных базой данных в рассматриваемой области. Эта база данных должна быть реализована в виде программного продукта, позволяющего инженерам находить оптимальные условия для получения изделий с заданными физико-химическими параметрами. Создание базы данных должно стать задачей государственного значения, решение которой должно существенно помочь в создании технологий, опережающих мировой уровень.
2. Программа должна включать в себя создание нескольких отраслевых кластеров, оснащенных и разрабатывающих новое технологическими оборудование для реализации производственных процессов в тесном сотрудничестве с разработчиками. При этом кластеры целесообразно создавать и специализировать по отраслям и территориям уже имеющихся традиционных технологий и близости центров компетенции. Так, например, в области органических полупроводниковых материалов: г. Санкт-Петербург ( кластер «Органические светодиоды»), г. Зеленоград (кластер «Полимерная электроника»), г.Томск (кластер «Органическая фотовольтаика»).
3. Формирование Федеральной научно-технической программы по приборам фотоэлектроники нового поколения на основе низкоразмерных структур, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
4. Поддержка научных и технологических разработок по указанному направлению.
5. Необходимо разработать методы поддержки развития новых производственных технологий по отдельным отраслям производства.
6. Необходимо включить в программу систему поддержки поисковых исследований, и прикладных исследований связанных с обязательным внедрением новых технологий основанных на ранее проведенных исследованиях.
7. Необходим постоянный выбор и пересмотр перспективных технологий в России в соответствии с постоянно возникающими новыми требованиями общества, так, Правительством России устанавливается, что «Периодическая корректировка приоритетных направлений и перечня критических технологий является одним из важнейших механизмов осуществления государственной научно-технической политики».
8. Необходимо срочно разрабатывать технологии создания ультравысокотемпературных материалов на основе диборидов циркония или гафния с допированием карбидом кремния, включая технологии компонентной базы, выявление наиболее перспективных составов и характеристик материалов – пористости, теплопроводности, трещиностойкости, окислительной стойкости, устойчивости к уносу в потоках диссоциированного воздуха и других газов. Выявление наиболее перспективных методов получения и обработки таких материалов, формирования конкретных изделий.
9. Необходимо сформировать программу государственной поддержки НИР, НИОКР и внедрения технологий получения нанокомпозитов на основе модифицированных силикатных частиц. Для этого необходим федеральный центр координации исследований, финансирования и внедрения инновационных научных разработок на основе федерального университета или института РАН.
10. Необходимо разработать отраслевые методы поддержки развития новых производственных технологий. Необходимо включить в программу систему поддержки поисковых исследований, и прикладных исследований связанных с обязательным внедрением новых технологий, основанных на ранее проведенных исследованиях.
11. Основная проблема внедрения перспективных производственных технологических процессов состоит в отсутствии финансирования со стороны отечественных предприятий, которые не поддерживают проведение НИР, а требуют сразу готовое оборудование и отработанные технологии. Ранее часть работ проводилась в отраслевых НИИ, которые в настоящее время отсутствуют. Поэтому отечественные предприятия производят закупку аналогичного импортного оборудования.
12. Отсутствие промышленных институтов и оборудования производства структур органической электроники. Традиционная технология электроники еле жива в России. А именно традиционная электроника способствовала быстрому переходу исследований промышленное производство. Так экспериментальный завод Plastic Logic в Дрездене (Германия) находится в 500 метрах от завода всемирно-известной микроэлектронной корпорации AMD, сотрудники которой были привлечены в создание первого в мире завода полимерной электроники.
13. Отсутствие инструментальной базы трансфера разработок в технологические решения. В настоящий момент мировой рынок оборудования для органического электронного производства только формируется и часть установок , используемых в технологических процессах являются уникальными заказами конкретных фирм-разработчиков. Очевидно, что зарубежные производители не будут передавать свои уникальные разработки в Российскую Федерацию.
14. В ряде случаев требуется отработка технологического процесса производства и организация производственных площадок для выпуска конечного продукта.
15. На сегодняшний день ни в России, ни за рубежом не существует промышленной технологии получения объемных наноструктурных металлов и сплавов конструкционного назначения. Для разработки перспективных технологических процессов на основе новых технологических методов для массового/серийного производства новой промышленной продукции из объёмно-наноструктурированных конструкционных материалов с повышенной прочностью производственно–технического назначения существует целый ряд проблем, включающих как адресную разработку и адаптацию нанотехнологий к условиям конкретного производителя в соответствии с предъявляемыми к продукции эксплуатационными требованиями, серийностью производства, составом технологического оборудования изготовителей и т. д.
16. Помимо проведения научно-исследовательских работ для понимания физических, химических, механических и др. процессов, происходящих в наноматериалах, как при синтезе, так и при дальнейшей их эксплуатации, которые будут определять конструкционные свойства, существует проблема масштабирования наноматериалов. Как известно, в настоящее время синтезируются наноматериалы с геометрическими размерами, недостаточными для производства конкретных деталей и изделий различных отраслей промышленности.
17. Актуальным остается целый ряд нерешенных задач и проблем. К ним можно отнести:
– широкомасштабное развитие фундаментальных исследований во всех областях науки и техники, связанных с развитием нанотехнологий;
– формирование круга наиболее заинтересованных потребителей, которые могут обеспечить максимальную эффективность применения наноматериалов конструкционного назначения, взамен материалов, получаемых традиционными технологиями. Поскольку на начальном этапе стоимость наноматериалов будет выше, чем у обычных, важно понимание, что более высокая эффективность их применения будет давать более высокую прибыль;
– трансфер лабораторных технологических процессов в производственные технологии;
– разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов;
– сертификация качества нанопродукции.
18. Для изготовления элементной базы наноэлектроники и нанофотоники необходимо внедрение в производственный процесс технологии молекулярно-лучевой эпитаксии.

Leave a Comment