Разработка порошковых нанотехнологий для создания новых функциональных материалов и устройств электрохимической энергетики

29 января 2008 года состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук

Члены Президиума заслушали научное сообщение «Разработка порошковых нанотехнологий для создания новых функциональных материалов и высокоэффективных устройств электрохимической энергетики».

Kotov_Yu_A.jpg

Котов Юрий Александрович

Докладчики:

  • член-корреспондент РАН Котов Юрий Александрович,
  • доктор физико-математических наук Иванов Виктор Владимирович (Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург).

С момента создания Института электрофизики (1987 г) получение нанопорошков и новых функциональных материалов на их основе было и остается одним из научных направлений Института. За прошедшие 20 лет выполнен большой объем исследований и разработок, позволивший создать комплекс нанотехнологий, включающий:

  • получение слабо агрегирующих нанопорошков металлов, сплавов и их химических соединений методами: электрического взрыва проволоки (ЭВП), испарения мишени излучением импульсного СО2 лазера, испарения мишени импульсным пучком электронов;
  • магнитно-импульсное прессование (МИП) нанопорошков до высоких относительных плотностей (до 0,75) в плоской и цилиндрической геометрии;
  • приготовление устойчивых суспензий и шликеров из нанопорошков;
  • получение пленок из нанопорошков методами литья шликеров и электрофоретического осаждения;
  • синтез объемных и пленочных изделий из нанопорошков функциональных керамик и композитных материалов с плотностью, близкой к теоретической и формой, близкой к заданной;
  • плазменное нанесение высокопрочных покрытий, сопровождаемое ионной имплантацией, модификация структуры поверхностных слоев функциональных материалов ионной имплантацией;
  • современное приборно-аналитическое сопровождение для исследований структуры и функциональных свойств получаемых нанопорошков и компактных наноматериалов;
  • полный комплекс средств для функциональных испытаний твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Развитые подходы для синтеза и компактирования слабо агрегирующих нанопорошков с применением мощной импульсной техники позволяют реализовать уникальные состояния наноразмерных фаз в порошках и компактных материалах благодаря высоким скоростям и коротким длительностям (10–6 – 10–3 с) нагрева, испарения, конденсации и сжатия вещества. Изучены условия синтеза и созданы основы технологий для получения широкого спектра нанопорошков оксидов, нитридов, металлов и сплавов методами электрического взрыва проводников ( Al 2 O 3 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , CuO , NiO , AlN , Cu , Al , Fe , Ag , W и др.) и лазерного испарения мишеней (YSZ , SmDCe , GdDCe , Nd : Y 2 O 3 и др.).

Порошки слабо агрегированы, имеют форму частиц близкую к сферической, высокую чистоту, высокую химическую активность, пониженную температуру спекания, в их структуре наблюдаются метастабильные фазы и несовершенства кристаллической решетки различных видов. Разработанные технологии и установки не имеют аналогов. Отработана аттестация нанопорошков на широкой приборной базе по структурно-фазовому состоянию, дисперсному и элементному составу.

Созданы образцы уникального оборудования для получения нанопорошков разных типов методом ЭВП. Установки снабжены автоматическим механизмом подачи проволок в зону синтеза, синхронизованным с генерированием греющего импульса тока. Установки характеризуются производительностью по порошку в диапазоне 40–200 г/час, в зависимости от типа материала, при энергопотреблении менее 50 кВтч/кг. Процесс получения порошков экологически чист и позволяет производить порошки с варьированием характеристик путем изменения исходных условий.

Разработаны основы технологии магнитно-импульсного прессования (МИП) нанопорошков различных материалов и создано оборудование двух типов с использованием плоских и радиально сходящихся волн сжатия. Устройства компактны, экономичны и допускают автоматизацию получения изделий. С применением МИП в сочетании с литьем полимер-керамических пленок и/или термообработкой отработано формирование из нанопорошков ряда новых типов объемных наноструктурных материалов для различных конструкционных и функциональных назначений.

В Институте электрофизики УрО РАН разработаны научные основы порошковых нанотехнологий для создания ряда качественно новых материалов для устройств с высокими эксплуатационными характеристиками, обладающие мировой новизной.

Сформированные из нанопорошков многослойные пленочные структуры твердооксидных топливных элементов позволяют генерировать электрическую энергию с мощностью более 1 Вт см-2, втрое превышающей прежние отечественные достижения. Такие элементы должны стать основой будущей водородной энергетики, характеризуемой высоким КПД (70%) преобразования энергии и экологической чистотой.

Исследования в области ТОТЭ были начаты в 1997 г. и основаны на использовании слабо агрегирующих нанопорошков диоксидов циркония и церия, технологиях их консолидации и формирования тонкослойных структур. Благодаря применению таких нанопорошков удалось снизить температуру спекания керамики электролита до 1200ºС и менее (в сравнении с 1500ºС для крупнокристаллических порошков). Это открыло серьезные технологические преимущества в совместном формировании керамических структур ТОТЭ при одновременном снижении энергозатрат.

Благодаря активному участию ИЭФ в инвестиционной программе «Водородная энергетика и топливные элементы»,/i> с 2004 г. работы в области ТОТЭ были значительно расширены, отрабатывались технологии формирования всех компонентов ТОТЭ, включая токопроход, сборку и испытание устройств. Была развита технология литья полимер-керамических пленок из нанопорошков компонентов ТОТЭ.

Комбинирование методов литья пленок и радиального магнитно-импульсного прессования позволило формировать тонкослойные заготовки компонентов трубчатого ТОТЭ и создавать двух и многослойные структуры ТОТЭ за один технологический цикл формования и спекания.

Выполнен цикл исследований по созданию токопрохода для ТОТЭ из нержавеющих высокохромистых ферритных сталей, защищенных с катодной стороны стойким интерфейсным коммутирующим покрытием из электрон проводящих марганец кобальтовых шпинелей. На основе созданных методов в Институте электрофизики впервые в РФ были изготовлены и испытаны трубчатые ТОТЭ с несущим электролитом толщиной около 150 мкм. Применение наноматериалов и нанотехнологий позволило повысить удельные характеристики ТОТЭ, совмещать технологические операции и снижать производственные энергозатраты.

Созданы основы синтеза наноструктурных керамик оксида алюминия для конструкционных применений, характеризуемые сочетанием высокой прочности и твердости, обеспечивающие износостойкость изготавливаемых из них деталей машин в 5–10 раз в сравнении с аналогичной рыночной продукцией. Введение в нанопорошки оксидов перед прессованием небольшой добавки нанопорошков металлического алюминия обеспечивает дополнительное увеличение относительной плотности (свыше 0,7) и улучшение однородности компактов. При последующем спекании происходит превращение металлической компоненты в оксид, и полное уплотнение материала реализуется при температурах, пониженных на 200 – 400ºС в сравнении с процессами спекания микрокристаллических порошков.

В результате формируется оксидная керамика с наноразмерной структурой, состоящая из кристаллитов с размерами от 20 до 500 нм, в зависимости от типа и количества дополнительных оксидных фаз (оксиды магния, иттрия, циркония, титана) в керамике. Получаемые наноструктурные керамические материалы на основе оксида алюминия обладают комплексом высоких механических характеристик . Продемонстрирована эффективность таких материалов для конструкционных применений в условиях интенсивного эрозионно-абразивного износа и в агрессивных средах.

Результаты разработки имеют конкретных потребителей, среди которых ─ машиностроительные предприятия, нефтепромысловые, газопромысловые и горнодобывающие компании, предприятия по производству проволоки, труб, текстиля, оптического волокна, производители мельничного оборудования и другие. Возникла реальная возможность создания в России производства технической керамики с характеристиками, позволяющими существенно увеличить рабочие параметры, а также надежность и ресурс устройств, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.

В Институте также активно развиваются поисковые технологические исследования по получению металло-матричных композитов на основе алюминия и железа, по синтезу композиционных керамических люминесцирующих материалов. В частности, определены условия получения наноструктурированных металло-матричных композитов Al – Al 2 O 3 , Fe – Fe 3 C с высокими механическими характеристиками и термостабильностью.

В обсуждении доклада приняли участие:

tretyakov.jpg

Академик Третьяков Юрий Дмитриевич отметил, что авторы доклада отразили далеко не все свои успехи. Он отметил две проблемы: создание структур наносистем и изготовление изделий из них. Работа Института электрофизики отличается особым подходом – они используют современные электрофизические воздействия, научились переводить продукт в парообразное состояние, а затем путем охлаждения получать наночаститцы строго определенного размера. Эта техника является одной из самых актуальных, хотя и не вполне разработанных. Институт ведет исследования, которые больше нигде не ведутся – исследование нанопленок, которые получаются в результате процесса микровзрыва в электролите. Это исключительно интересная, перспективная и успешная работа.

Пивнев Владимир Алексеевич (Норникель, Вице-президент): XXI век – век электрохимии. Послеуглеводородная энергетика должна базироваться на новых материалах и новых энергетических установках. Наиболее перспективными являются твердооксидные топливные элементы. Нас интересует конкурентоспособность этой технологии. Стоит задача выйти на 400–500 долл. за киловатт электроэнергии. Высокая рабочая температура топливных элементов накладывает очень суровые условия на конструкционные материалы, которые должны выдерживать 1000 градусов по Цельсию. Необходимость использования нанопорошков связана с тем, что нужно получить очень тонкие мембраны на простых носителях.

Поэтому мы уделяем очень большое внимание получению и отработке всех твердооксидных направлений получения нанопорошков. Мы работаем с институтом с 2003 года. Угольный газ и синтез-газ являются перспективными для создания топливных элементов. Следующее направление – создание твердотопливных элементов. Мы рассматриваем проблемы перехода к промышленному производству этих элементов. Мы завершили процесс создания энергетической установки на энергосберегающих элементах.

В институтах РАН есть очень хороший задел, но промышленность к достижениям науки невосприимчива. В этом наша проблема. Мы сформировали инвестиционный проект, но его реализация зависит от производства материалов. Решить эту проблему усилиями частного бизнеса нельзя. Необходимо участие государства.

Smirnov_V_P.jpg

Академик Смирнов Валентин Пантелеймонович: Перед нами пример естественного переплетения различных научных направлений. Ю.А. Котов был пионером в исследовании процессов взрыва проволочки в определенных условиях. Из этой работы вышло сегодняшнее направление – получение нанопорошков. Здесь есть большие возможности для получения уникальных результатов. Все это может сделать институт электрофизики. О компактировании порошков. Особенность состоит в том, что В.В. Иванов внес в изучение наночастиц особое физическое понимание. Это комплексная работа, в которой есть и фундаментальная составляющая, и выход на промышленное производство элементов для новой энергетики.

Leontyev_L_I.jpg

Академик Леонтьев Леопольд Игоревич: Работа практически доведена до промышленных изделий. В институте имеется самое совершенное оборудование для производства и контроля качеств получаемых нанопорошков. В УрО РАН сложилось несколько школ получения наноматериалов. В Институте физики металлов, Институте электрофизики, Институте электрохимии и т.д. Этот комплекс институтов построил промышленную установку для получения нанопорошков на основе тантала. Можно создать в УрО РАН специальный совет или комиссию по производству наноматериалов.

Академик Цветков Юрий Владимирович: Получением в лабораторных условиях нанопорошков мы не решим проблему их промышленного использования. Надо ставить вопрос о промышленном производстве нанопорошков. Институт металлургии тоже готов дать свои предложения по этому поводу. Мы рассчитываем, что Президиум РАН окажет помощь в решении этого вопроса.

Bagaev_S_N.jpg

Академик Багаев Сергей Николаевич: Фактически весь цикл от получения нанопорошков до промышленных изделий уже реализуется. Это очень важно. Многие материалы можно получить только этим способом, и никто в мире пока больше им не пользуется, кроме Японии. Я бы просил руководство УрО РАН поддержать эти исследования.

Mesyac_G_A.jpg

Академик Месяц Геннадий Андреевич напомнил, что эти работы были начаты Ю.А. Котовым 30 лет назад в Томске как изучение свойств дисперсных порошков. Все, что получено в Томске, так или иначе основано на работах Ю.А. Котова. Установки абсолютно уникальны, они продаются за рубеж, и эти доходы подпитывают исследования. Очень мощный импульс развитию технологий дало сотрудничество с Норникелем, который инвестировал в развитие нанотехнологий свыше 20 млрд. долл. Сначала были проведены семинары, на которых были выявлены все возможности наших институтов для развития этих исследований.

После сложного отбора осталось около 10 организаций, которые продолжили работы с Норникелем. Этот уникальный опыт надо использовать при взаимодействии с коммерческими структурами. Все началось с приобретения современного оборудования, и это позволило получить уникальные результаты.

Chereshnev.jpg

Академик Черешнев Валерий Александрович: Институт перешагнул 20-летний рубеж. Он является лидером в изучении наноматериалов в УрО РАН. Сейчас институт строит 5-ю очередь. В настоящее время в ГД РФ рассматривается перечень законов о науке. Один из первых – закон об инновациях. И здесь масса вопросов. Для развития нанотехнологий нужно поставить 3000 элементов из-за рубежа. Сейчас при Комитете по науке и высоким технологиям формируется Совет по науке и Совет по биотехнологиям. Прошу ваших предложений по тематике этих советов. Второй законопроект – по интеллектуальной собственности. Он уже переходит к третьему составу Думы и все никак не может пройти второе чтение. Ждем ваших предложений.

Член-корреспондент Котов Юрий Александрович: На местном уровне мы уже приложили максимум усилий. Но область не может выделить много средств. Что касается массового внедрения – сегодня не для кого производить нанопорошки – нет потребителей. Нами создан консорциум по производству нанокерамических изделий. Он принят и будет продвигаться.

Nikipelov_Alex.jpg

Академик Некипелов Александр Дмитриевич: Сегодняшнее обсуждение затронуло целый ряд болевых вопросов, связанных с инновационной деятельностью. На сегодня подписаны поручения Президента РАН по итогам работы Совета по науке, в которых есть пункты по прогнозированию территориального размещения производительных сил и созданию новой техники. Мы ведем эту работу под руководством академика Ивантера В.В., но ее нужно переводить на более высокий уровень. Необходимо выявить те ограничения, которые наша промышленность ставит перед инновационной деятельностью.

Члены Президиума обсудили и приняли решения по ряду других научно-организационных вопросов.

http://www.kreml.org/news/172117418

Институт электрофизики УрО РАН

ief_building.jpg

http://www.iep.uran.ru/

Ух ты! Как много, оказывается, уже сделано и делается в этой области!.. Читается просто как детектив. Ну вот, это же прямые рекомендации ГК «Роснанотех»: просто берите эти данные, включайте в планы работ и финансирования, подключайте соответствующие ведомства и налаживайте массовое производство. Всё так просто и так не просто… Ваш ход, тов. Меламед Л.Б.!..