Новости

Вместе мы добьемся большего

Учредители, члены правления и устав ПСКК

Составы первичных организаций

Материалы конференций ПСКК (отчеты, заявления, обращения, решения)

Статьи

Премии, дипломы, грамоты

Презентация, балы

Рекламный буклет



        660049, Красноярск, проспект Мира, дом 82, СибГТУ, офис Ц-6, ПСКК
тел/факс (3912) 66-03-98,
тел. 21-67-58
E-mail: mediasecret@list.ru



   

НАНОТЕХНОЛОГИИ В КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВАХ
Г.Г. Крушенко
Институт вычислительного моделирования СО РАН
Krushenko

Крушенко Г.Г. НАНОТЕХНОЛОГИИ В КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВАХ// Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение: Тр. научно-технической конференции с международным участием.- V Ставеровские чтения.- Красноярск: Сибирский федеральный университет, КНЦ СО РАН, 2009.- С. 268-272.

Согласно «Стратегии национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года», утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 12 мая 2009 г. № 537 [1], предусмотрен целый ряд основополагающих мероприятий, направленных на обеспечение национальной безопасности за счет экономического роста Российской Федерации. При этом указывается, что основные усилия должны быть сосредоточены, в том числе на развитии науки, технологий и образования, на развитии национальной инновационной системы в целях реализации высокоэффективных проектов и приоритетных программ развития высокотехнологичных секторов экономики; на реализации научных и технологических приоритетов, на стимулировании и поддержке развития рынка инноваций, наукоемкой продукции и продукции с высокой добавочной стоимостью, развитие перспективных технологий общего, двойного и специального назначения.
С позиций указанной Стратегии развиваемые в настоящее время нанотехнологии удовлетворяют практически всем перечисленным требованиям, и развитию этого направления в России в уделяется большое внимание.
Так, согласно Концепции федеральной целевой программы (ФЦНТП) "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы", утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 6 июля 2006 г. № 977-р, в числе выделенных приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ, называется и направление «индустрия наносистем и материалы».
По оценкам Минобрнауки [2], общий объем бюджетного финансирования работ по нанотехнологиям в России составил в 2006 г. около 3,5...4,0 млрд. рублей. А в конкурсах в области нанотехнологии в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.» только в 2005-2006 гг. участвовало более 300 организаций РАН, вузы и др. При этом среди всех шести приоритетных направлений исследований в рамках ФЦНТП направление «индустрия наносистем и материалы» занимало лидирующие позиции. Объем бюджетных средств на выполнение работ в области нанотехнологии в рамках ФЦНТП в 2005 г. составил более 2,2 млрд. руб., в 2006 г. - около 2,5 млрд. руб. (из 7,7 млрд. руб. всех средств ФЦНТП). При этом сумма внебюджетных средств для проведения работ в области нанотехнологии в рамках ФЦНТП составила в 2005-2006 гг. около 2,2 млрд. руб. А общий объем средств федерального бюджета для финансирования НИОКР в сфере нанотехнологии был предусмотрен на 2007 г. 8,0-8,5 млрд. руб., на 2008 г. - 12-13 млрд. руб.
Федеральным законом №139-Ф3 19 июля 2007 г. была учреждена Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологии» (РОСНАНО), на которую возлагается организационная и финансовая поддержка инновационной деятельности в области нанотехнологии, координация и финансирование проектов в области нанотехнологии, в том числе по специальным поручениям правительства, проектов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нанотехнологии. Деятельность нанокорпорации будет, прежде всего, финансировать федеральный бюджет. Всего на «Роснанотех» планируют потратить от 130 млрд. до 170 млрд. рублей
Британское агентство ОегиШса, крупнейший исследователь мирового рынка нанотехнологии, отметило [3], что на Россию в 2009 г. придется 25% мировых инвестиций в исследования в этой сфере. Россия уступает в активности по развитию нанотеха только обойме стран Евросоюза, зато вкладывает в отрасль существенно больше Японии, Китая и США. Доля инвестиций от мирового инвестирования в развитие нанотехнологии составляет: ЕС - 27%;
Россия - 25%; Китай - 16%; США - 16%; Япония - 9%; Южная Корея - 4%; Тайвань - 2%; Индия - 1%. ЕС, Япония и США, которые в с 2004 г. вместе формировали 85% мировых расходов на наноисследования, в 2009 г. сократят свою долю до 58%.
Около 10 млрд. долларов США - таков предполагаемый объем вложений России в ближайшие годы в развитие нанотехнологий. Около 5 млрд. руб. из этой суммы будет направлено в корпорацию «Роснанотехнологии». В результате к 2015 г. Россия должна иметь не менее 3% мирового рынка нанотехнологий. Суммарная оценка средств, извлеченных от продажи нанотехнологичной продукции - 900 млрд. руб. Экспорт российских нанопродуктов через семь лет должен вырасти с 4 до 180 млрд. руб. [4]
По данным корпорации «Роснанотехнологии», сейчас Россия входит в «низшую лигу» по развитию нанотехнологий (в одной группе с Бразилией и Австралией). В высшей лиге -Корея, Германия, Тайвань. В «нищевых» лидерах - Швеция, Израиль. И переломить эту ситуацию можно только за счет развития национальной инновационной системы.
Однако следует отметить, что добиться финансирования заявляемых нанопроектов в «РОСНАНО» чрезвычайно сложно, даже имея отработанные в производственных условия эффективные нанотехнологий. Общие требования к таким проектам изложены на 52 стр. [5]. Рассмотрение только двух приложений (Приложение 4 - рекомендуемая структура Бизнес-плана и Приложение 5 - Список документов приложения к Бизнес-плану) этих требований показало, что для этого в заявке нужно обосновать 83 позиции. Причем некоторые из них требуют как длительного времени, так и определенных средств.
Вице-премьер С. Иванов раскритиковал РОСНАНО за «определенное отставание в выполнении плановых показателей» - за полтора года работы госкорпорацией одобрено лишь 14 проектов. Такими темпами высокотехнологичной революции в российской экономике можно ждать еще долго. Из-за кризиса РОСНАНО даже предложено вернуть в госбюджет 85 из 130 млрд. руб., выделенных в 2007 г. в качестве имущественного взноса государства [6].
На майском (2002 г.) заседании Президиума РАН было заслушано научное сообщение член-корр. РАН И.В. Мелихова, посвященное физикохимии наноситем. В результате последовавшей затем дискуссии было рекомендовано рассмотреть этот вопрос на декабрьской (2002 г.) Научной сессии Общего собрания РАН [7]
На состоявшемся в декабре 2002 г. Общем собрании РАН по результатам доклада лауреата Нобелевской премии академика Ж. Алферова «Нанотехнологий и наноструктуры» было принято решение о включении программы развития нанотехнологий в число главных приоритетов РАН, в связи с чем предложенный Отделом машиноведения ИВМ СО РАН проект «Применение нанопорошков химических соединений для повышения механических свойств металлоизделий» был включен в комплексную программу Президиума РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов» по разделу «Фундаментальные проблемы физикохимии наноматериалов» с выделением соответствующего гранта, предназначенного для проведения дальнейших углубленных исследований.
Работа по этому проекту продолжалась в течение пяти лет, и основное направление исследований заключалось в применении нанопорошков (НП) тугоплавких химических соединений, размеры частиц которых не превышают 100 нм, для повышения физико-механических характеристик металлоизделий из различных конструкционных сплавов.
НП обладают уникальными физико-химическими и механическими свойствами, существенно отличающимися от свойств материалов того же химического состава в массивном состоянии, и эти свойства могут в определенной степени передаваться получаемым из них или с их участием изделиям. Причина уникальности свойств частиц НП заключается в том, что количество атомов в их поверхностном слое и в объеме оказывается, по крайней мере, соизмеримым. В нанометровом масштабе возникают качественно новые эффекты, свойства и процессы, определяемые законами квантовой механики, размерным квантованием в малых структурах, отношением поверхность/объем и другими явлениями и факторами. [8].
В связи с тем, что в наночастицах значительное количество атомов находится на поверхности, и их относительное содержание увеличивается с уменьшением размера частиц, повышается их вклад в общую энергию системы [9].
Таким образом, размер наночастиц можно рассматривать в качестве операционного параметра, эквивалентного температуре [10]. Это означает, что с их участием возможны реакции, которые не могут идти в массивном состоянии.
Очевидно, описанные и другие свойства НП при их применении в технике могут привести к получению материалов с измененными в определенном нужном направлении, повышенными или вообще новыми характеристиками.
В исследованиях в основном были использованы НП, полученные методом плазмохимического синтеза [11], который по своим технологическим возможностям и технико-экономическим показателям является наиболее перспективным из известных способов. Его основными достоинствами являются: возможность переработки любого тугоплавкого сырья; высокая производительность; малая инерционность; непрерывность процесса. Этот способ позволяет управлять размерами частиц, формирующихся в потоках плазмы [12].
Кроме того, применяли НП, полученные методом электродугового синтеза, при котором материал проводника в виде проволочки при прохождении по нему мощного импульса тока разрушается, в результате чего образуются наночастицы [13]. Согласно [14] частицы порошков, полученных этим методом, обладают запасенной избыточной энергией, величина которой в несколько раз превышает теплоту плавления того же количества вещества в массивном состоянии. Проведенный анализ возможных путей запасания энергии показал [15], что физически реальным и достаточным в количественном отношении является лишь механизм, связанный со сверхравновесным растворением водорода в металле. В общем, можно считать, по крайней мере, это отмечалось для частиц НП, полученных методом плазмохимического синтеза [16], что первопричиной возникновения избыточной энергии является развитая поверхность частиц.
В то же время следует отметить, что применением НП химических соединений с целью повышения физико-механических характеристик и качества изделий, получаемых разными методами из различных металлов и сплавов (чугун, сталь, алюминиевые сплавы), а также протекторных резин, причем большей частью в производственных условиях на реальных деталях, автор настоящей публикации занимается с 80-х гг. Первое авторское свидетельство на изобретение (А.с. СССР № 731655) по применению НП для улучшения качества крупногабаритных слитков, отливаемых полунепрерывных способом из сплава Д1, было получено еще в 1980 г. с приоритетом от 20 ноября 1978 г.
За прошедший период выполнен большой объем исследований, результаты которых опубликованы в коллективных монографиях [11, 16-20], в десятках статей, и по которым получено 26 А.с. СССР и 2 патента РФ на изобретения. Материалы по применению НП вошли в 5 кандидатских и 1 докторскую диссертации. Результаты исследований доложены на десятках конференций и др. подобных мероприятиях союзного республиканского и международного уровней.
В основном выполненные работы направлены на повышение уровня механических свойств, качества, износостойкости, надежности и увеличение ресурса эксплуатации металлоизделий.
При этом были испытаны следующие виды НП: АГЫ; А120з; В4С; ВМ; Сг203; НтВ2; НГЫ; ЬаВ6; 81С; §13^; Та1Ч; Т1СХ1ЧУ; Т1СХ>4У02; Т1Ы; ТЮ2; Т15813: УС; УСК; 2гВ2 и алмазно-графитовый НП. Большая часть из этих НП была получена методом плазмохимического синтеза.
Результаты исследований по нанотехнологиям были представлены на 10-ти выставках СО РАН, вызывая интерес производителей металлопродукции. Например, на прошедшей в Шеньяне (столица северо-восточной провинции Ляонин Китайской Народной Республики) с 8 по 12 сентября 2002 г. выставке научно-технических достижений НИИ СО РАН, были представлены разработки по применению НП для упрочнения металлоизделий. При этом, как пишет газета «Наука в Сибири» (2002, № 37), «даже возник спор между фирмами из Харбина и Шеньяна, кто из них мог бы быть полномочным представителем данной технологии. Пришли к договоренности, что для начала будут проведены испытания на одном из предприятий провинции».
Перечень основных разработок по применению НП для повышения физико-механических характеристик металлоизделий:

1. Модифицирование металлов и сплавов
1.1. Введение НП в алюминиевые деформируемые сплавы при литье слитков полунепрерывным способом диаметром 190 мм из сплава Д16, диаметром 300 мм, 420 мм и 500 мм из сплава АМгб и диаметром 480 мм из сплава Д1 приводит к измельчению зерна в 1,7...20,0 раза и к повышению уровня механических свойств отпрессованных из них профилей различного сечения и размеров по сравнению с профилями из слитков, отлитых по обычной технологии. Так, временное сопротивление ав повышается на 2,5...5,0 %, предел текучести ао,2
-   на 2,0. ..8,9 %, относительное удлинение 8 - на 11,8. ..31,0 %.

  1. В результате введения НП в алюминиевые литейные сплавы АК12, АК9ч, АК7ч, АЛ7Ц9, АМ5, АК7 и др. измельчается макро- и микроструктура отливок, получаемых разными способами (литье в земляные и металлические формы, жидкая штамповка и др.), что приводит к повышению ов на 2,5... 19,3 % и 5 - в 1,5...7,3 раза.
  2. В результате введения НП в расплав серого чугуна СЧ15 уменьшается глубина отбела, в 1,6 раза измельчается эвтектическое зерно, что приводит к повышению ав на 19,5 % (со 174 до 208 МПа).
  3. Введение НП в износостойкий высокохромистый чугун ИСЦ приводит к росту твердости НКс по сравнению с обработкой расплава стандартным модификатором, на 9,8 % (с 61,5 до 67,5 ед. НКс), при этом износ отливок уменьшается на 32,5 %.
  4. Введение НП в специальный износостойкий чугун привело к повышению ав в среднем на 13,5 % (с 203...229 до 225...280 МПа) и к предотвращению возникновения на отливках для машин пищевой промышленности ряда литейных дефектов.
  5. Введение НП в высокохромистый чугун ИЧХ-12М привело к повышению НКС отлитых из него лопаток дробеметного аппарата на 8,13 % (с 61,5 до 66,5 ед. НКС) по сравнению со стандартной технологией подготовки расплава к литью, а ресурс их эксплуатации увеличился на 15...20%.

2. Сварка
При использовании электродов, содержащих НП, для сварки из листового сплава АМгб объемных конструкций специального назначения происходит измельчение микроструктуры и повышается ав сварного шва по сравнению со сваркой стандартным электродом на 4,1 ...7,8 %.

3. Повышение износостойкости
3.1.   В результате введения НП в композицию, применяющуюся для формирования в
процессе литья на поверхности отливок из стали 35Л износостойкого легированного слоя его
НКс повышается на 36,9 % (с 32,5 до 44,5 ед. НКс) по сравнению с нелегированной сталью, а
относительная износостойкость (износостойкость стали 35Л принята за единицу) возрастает на
45,8 %.
Разработанная технология была использована: а) при литье из стали 35Л кернов колодцевого взамен применения сложнолегированного сплава 20X25 Н10ТСЛ с последующей наплавкой электродом из сплава Э-70ХЗСМТ. Срок службы кернов, отлитых с применением НП, составил 25 ч., а изготовленных по стандартной технологии - 16 ч; б) при литье из стали 35Л бил (габариты 40x124x160 мм, масса 14,3 кг) углеразмольных агрегатов с получением НКС поверхностного слоя в интервале 48...50 ед. и увеличением срока службы в 1,5 раза по сравнению с билами, отлитыми по стандартной технологии.
3.2.   Электроискровое легирование поверхности деталей из алюминиевых сплавов с
применением НП повышает твердость НУ в пределах 1,9...2,26 раза (с 360 до 374...453 ед. НУ),
что уменьшает износ в 2,3...4,0 раза по сравнению со стандартной технологией.

4. Металлокомпозит
В результате прессования композиции, состоящей из частиц алюминиевых сплавов и НП, получали протяженные профили различного сечения с волокнистой структурой, механические свойства которых превышали свойства обычных профилей - ав на 15...24 %; ао,2
-   на 18,3.. .22,5 %; 5 - на 2,6.. .3,0 %.

Литература

  1. Официальный сайт Президента России: Ь«р://\у\у\у.кгетИп.гиДех{/с1ос5/2009/05/216229.5Ы1п1
  2. Киселев К.В. Долина нано// Российские нанотехнологий.- 2006.- Т. I.- № 1-2.- С. 8-12
  3. Вайсберг В., Чучко В. Первые по нанотеху// 81оп.ш. Редакция деловых новостей 29.05.2009.- Источник: СЛепИйса Ьйр://§1оп.ги/
  4. Проблемы инновационного развития Сибири и Дальнего востока// V Байкальский экономический форум. 8-11.09.2008.- Круглый стол №3. Итоговый пресс-релиз// ЬЦр://уууу,\у.Ьа1каИЪгит.ги/да/356.Ь1т1
  5. Требования к составу и содержанию проектов в области нанотехнологий,
    предлагаемых к финансированию за счет средств ГК "Роснанотех"- 52 стр. Утверждено
    приказом гендиректора ГК РОСНАНО: №144 от 23.04.2009 |Ъйр:/Ау\улу.ги5папо.сот/
  6. Тростников Д., Костина Ж. Разглядеть перспективу// Континент Сибирь.- 22.05.2009.-
    № 19//ЬПр://кзопПпе.ги/к5//
  7. Мелихов И.В. Физикохимия наносистем: успехи и проблемы. Наука «уходит» в наномир// Вестник РАН».- 2002.- Т. 72.- № 10.- С. 903-909.
  8. Рит М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета/ Пер. с англ.- М.-Ижевск: Удмуртский госуниверситет, 2005.- 160 с.
  9. Меретуков М.А., Цепин М.А., Воробьев С.А., Сырков А.Г. Кластеры, структуры и материалы наноразмеров: инновационные и технические перспективы.- М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2005.- 128 с.
  10. Ролдугин В.И. Квантоворазмерные металлические коллоидные системы// Успехи химии, 2000, Том 69, № ю.- С. 899-923.
  11. Колесников А.В., Крушенко Г.Г., Фильков М.Н. Применение ультрадисперсных порошков для повышения качества деталей машин и механизмов.- Алма-Ата: КазНИИНТИ, 1991.- 72 с.
  12. Цветков Ю.В., Алексеев Н.В., Самохин А.В. и др. Возможности плазменного синтеза для получения ультрадисперсных порошков, в том числе с предельно малыми размерами частиц// Физикохимия ультрадисперсных систем: Матер. IV Всерос. конф.- М.: МИФИ, 1998.-С. 55-56.
  13. Гаврилов В.Н., Литвинов Е.А. Получение частиц методом электрического взрыва проводников// Прикладная механика и техническая физика.- 1993.- Т.34.- № 6.- С. 28-34.
  14. Ильин А.П. Об избыточной энергии ультрадисперсных порошков, полученных методом электрического взрыва проволок// Физика и химия обработки материалов.- 1994.- № 3.- С. 94-97.
  15. Савельев Г.Г., Тюрин Ю.И., Шаманский В.В. и др. Исследование механизма запасания энергии при получении металлических порошков электровзрывом проволоки// Физикохимия ультрадисперсных систем. Материалы IV Всерос. конф.- М.: МИФИ, 1998.- С. 69-70.
  16. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов/ В.П Сабуров, А.Н. Черепанов...Г.Г. Крушенко и др.-Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995.- 344 с.
  17. Жуков М.Ф., Черский И.Н., Черепанов А.Н...Крушенко Г.Г. Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза.- Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999.-312с.
  18. Москвичев В.В., Махутов Н.А., Черняев А.П...Крушенко Г.Г. и др. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов технических систем.- Новосибирск: Наука, 2002.- 334 с.
  19. Даутов Г.Ю., Тимошевский А.Н., Урюков Б.А, Крушенко Г.Г. и др. Монография Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии. Проблемы и перспективы.-Новосибирск: Наука, СП РАН, 2004.- 464 с.
  20. Махутов Н.А., Фролов К.В., Москвичев В.В...Крушенко Г.Г. и др. Научные основы повышения малоцикловой прочности.-М.: Наука, 2006.- 623 с.