Наноматериалы и нанотехнологии для машиностроения:состояние и перспективы применения

История развития нанотехнологий

От Фейнмана до наших дней

Первое упоминание о методах, впоследствии названных нанотехнологией, сделал Ричард Фейнман в 1959 году в своей знаменитой речи «Там внизу полно места». Гениальный физик тогда еще не знал, насколько пророческими окажутся его слова.

В 1974 году Норио Танигучи впервые назвал этим термином производство изделий размером порядка нанометра. А в 1986 году он написал книгу «Машины создания: грядет эра нанотехнологии». Эрик Дрекслер популяризовал данный термин в книге «Инструменты развития: наступающая эра нанотехнологии».

Но вот что интересно: научные исследования по проблеме дисперсных систем проводились уже более 100 лет назад!

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 аморфно-нанокристаллические металлы, в которых размер кристаллов укладывается в нанометровый диапазон.

В 80-е 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 C60 проявляют необычайную стабильность, а в 1991 г. были впервые синтезированы углеродно-графитовые трубчатые нити.

Нанотехнологии в России: достижения и перспективы

Государственные программы и инвестиции

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.

В СССР научно-техническое направление по получению и изучению свойств наноматериалов (в то время УД материалов) сложилось в 50-е 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 60-е годы в ИХФ АН СССР был разработан левитационный метод получения УД порошков. В 70-е 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 70-е годы были разработаны химические методы синтеза нанопорошков металлов и композиций на их основе.

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 2007-2010 годы».

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 корпорация нанотехнологий (Роснанотех), решающая задачи организационной и финансовой поддержки инновационной деятельности в сфере нанотехнологий.

Применение в машиностроении

Где именно используются наноматериалы

Машиностроение является, в основном, потребителем объемных наноструктурированных материалов. Каких именно?

Также используются материалы с памятью формы, порошковые материалы и комплектующие 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 водоотталкивающих 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, износостойкость, жаро-, коррозионная стойкость и т.д.) может быть достигнуто:

• → посредством введения того или иного технологического процесса (литье, прессование, нанесение покрытий и т.д.) получения нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов;
• → 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.

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.

Рабочая группа по Форсайту РНЦ «Курчатовский институт» считает, что к 2015 году будет происходить формирование рынка потребителей наноматериалов и псевдонаноматериалов.

Что такое псевдонаноматериалы? Это рыночные высокотехнологичные продукты, заявленные как нанотехнологические, но таковыми не являющиеся.

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 иностранных фирмах. Утечка мозгов — серьезная проблема.

Нанопокрытия и упрочнение инструмента

Технологии нанесения покрытий

В настоящее время на передовых предприятиях машиностроительного комплекса Воронежа реализуются восемь основных технологий на наноуровне, шесть из которых непосредственно для машиностроения:

1. Электроэрозионная наноразмерная обработка профилированным и непрофилированным инструментом на электроискровых станках с программным управлением.

2. Электрохимическая отделочная и размерная обработка рабочих поверхностей нагруженных деталей для регулирования микротопографии поверхности на наноуровне.

3. Ионно-плазменное 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.

4. Модификация поверхности за счет скоростных химико-термических взаимодействий плазменных струй с поверхностью металла с целью повышения износостойкости и коррозионной стойкости и твердости низкоуглеродистых легированных сталей.

5. Закалка поверхности на глубину до 1,5-2 мм (с оплавлением или без оплавления) с возможностью регулирования параметров поверхностного слоя.

6. Ионно-плазменное осаждение: благодаря тому, что в его основу заложен универсальный принцип ионного испарения, установка позволяет получать тонкопленочные покрытия (до нескольких мкм) из широкого спектра материалов.

Практически любого состава с заданной структурой – нанокристаллической, аморфной, кристаллической, композитной.

Базовые установки и технологии нанесения тонкопленочных (от 10 нм до 50 мкм) наноструктурированных покрытий с использованием высокоскоростного ионно-плазменного и вакуумно-дугового 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 авиационно-космической техники 5-го поколения;
• ✗ жидкие и твердые смазки для пар трения;
• ✗ суперэффективные химические аккумуляторы для синтеза новых веществ.

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°С.

Рост покрытия происходит вследствие высокотемпературного экзотермического окисления.

Данная технология микроплазменного оксидирования дает возможность получения покрытий, характеризующихся высокими твердостью (до 1950 HV), износостойкостью, защитно-коррозионными свойствами и адгезией к металлической основе.

Российская нанопродукция

Конкретные примеры внедрения

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 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.

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 12Х18Н10Т 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 РВС-технологии в 2-3 раза ниже, чем при использовании обычных технологий, что позволяет заменить плановые ремонты планово-предупредительной обработкой с увеличением межремонтного срока в 1,5-2 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 Cr, Ti, C 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.

Экономическая эффективность

Выгоды от применения наноматериалов

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 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 таблице.

Повышение свойств, например, нанометалла, при использовании взамен аналога позволяет:

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 машиностроения;
• ✗ энергетического машиностроения;
• ✗ транспортного машиностроения;
• ✗ станкоинструментальной промышленности;
• ✗ горнодобывающей промышленности;
• ✗ медицинской промышленности;
• ✗ 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 предназначены 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.).

А также 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.

Основные типы нанокомпозитов:

Кроме того:

• → нанокрасители, отталкивающие грязь с поверхности облицовки;
• → самоочищающиеся и противообледенительные составы;
• → 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.

Из 37 продуктов Перечня наиболее вероятных областей применения нанотехнологий в недалеком будущем автор работы отмечает 4, относящиеся к машиностроению.

Перспективы развития

Что ждет отрасль в будущем

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:

1. создание серийного применения очищенного модифицированного монтмориллонита и полимерного нанокомпозита на его основе;
2. создание промышленного производства оборудования для синтеза многофункциональных нанокерамических покрытий;
3. создание массового производства сверхвысокопрочных пружин;
4. создание производства износостойких изделий из наноструктурных керамических и металлокерамических материалов;
5. создание производства монолитного твердосплавного металлорежущего инструмента с наноструктурированным покрытием;
6. производство режущего инструмента из сверхтвердого материала;
7. 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 оксидно-керамического нанокристаллического покрытия и др.

Работы по разработке и внедрению нанотехнологий и наноматериалов ведутся непосредственно на машиностроительных предприятиях в содружестве с институтами.

Проблемы внедрения

Что тормозит развитие

На основании анализа открытых информационных источников установлено:

1. Машиностроение, в основном, является потребителем как наноструктурных, так и наноструктурированных материалов, и нанотехнологий.

2. Отечественный уровень разработок наноматериалов и нанотехнологий для машиностроительных отраслей соответствует мировому, а порой и превосходит его.

3. Нанотехнологии и наноматериалы могут найти применение во всех технологических переделах машиностроительного производства:

• ★ литейное (ультразвуковые нанотехнологии подготовки формовочных материалов и изготовления гипсовых форм с повышенными физико-механическими свойствами для цветного литья, влияние наносекундных электромагнитных импульсов на расплавы цветных металлов и др.);
• ★ кузнечно-прессовое;
• ★ сварочное;
• ★ инструментальное производства;
• ★ термообработка;
• ★ гальваника;
• ★ сборка;
• ★ нанесение износо-, коррозионностойких, лакокрасочных, водоотталкивающих и других покрытий;
• ★ а также при ремонте как технологического, так и выпускаемого предприятием оборудования.

4. Тормозом для освоения нанотехнологий и наноматериалов для машиностроения является:

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.

5. Существующие ставки банковского кредита делают невозможным рентабельное освоение инноваций.

6. 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.

Вот такая ситуация. С одной стороны — огромный потенциал. С другой — серьезные препятствия на пути внедрения.

Что делать? Нужна системная государственная поддержка, инвестиции в образование, снижение кредитных ставок для инновационных проектов.

И тогда российское машиностроение сможет по-настоящему использова