Реферат: «Создание технологических основ получения и промышленного производства наноразмерных и наноструктурных материалов и продуктов на их основе»

«Создание технологических основ получения и промышленного производства наноразмерных и наноструктурных материалов и продуктов на их основе»


Исполнитель: Томский научный центр Сибирского отделения Российской Академии наук http://www.tsc.ru/

Руководитель проекта: Псахье Сергей Григорьевич, д.ф.-м.н., профессор

Адрес: 634021, г. Томск, пр. Академический 2/1

Телефон: (3822) 49-18-81

Факс: (3822) 49-25-76

E-mail: sp@ms.tsc.ru

Описание проекта/технологии Название



«Создание технологических основ получения и промышленного производства наноразмерных и наноструктурных материалов и продуктов на их основе»

Аннотация (описание разработки/технологии)

За последние пять лет объемы государственного финансирования исследований и разработок в области нанотехнологии в разных странах увеличились примерно в 5 раз. Сегодня национальные программы по развитию нанотехнологий приняты уже более чем в 30 странах мира. С новейшими открытиями в этой области связывается прогресс в самых разнообразных областях промышленной индустрии: биотехнологии, микроэлектроники, химической промышленности, машиностроении, авиакосмической технике, и т. д. В соответствии с существующими прогнозами, мировой объем производства в области нанотехнологий через 10–15 лет должен превысить 1 трлн. долларов.


Ожидаемое в 2005-2010 годах развитие мировой наноиндустрии будет основано на создании эффективных и конкурентоспособных технологий получения наноматериалов и продукции на их основе в промышленных масштабах в следующих ключевых направлениях:

наноразмерные материалы – порошки, волокна, трубки,

наноструктурные пленки и покрытия,

наноструктурные объемные материалы.


Организации томского научно-образовательного комплекса имеют приоритет по ряду этих направлений. В рамках проекта предполагается увеличение производства нанопорошков, разработки и вывода на рынок новых продуктов: нанотрубок, нановолокон и новых фильтровальных материалов для фильтров высокой очистки жидкостей и газов, наноструктурных сорбентов, объемных биокомпозиционных материалов на основе наноструктурного / титана и керамического покрытия для медицины, нанокомпозиционных материалов для автотранспорта и машиностроения, противоизносных металлоплакирующих смазочных составов, кислородных датчиков для определения содержания кислорода в расплавах металлов, композита из никелида титана с наноструктурными поверхностными слоями, оборудования и технологий для нанесения наноструктурных покрытий.


Для реализации проекта необходимо финансирование в размере 50 млн. $.

^ Существующая проблемная ситуация

(по направлению разработки)

Широкое освоение в промышленности новых технологий получения конструкционных металлических и керамических композитов с нанофазной и нанокристаллической структурой даст долгосрочный энерго- и ресурсосберегающий эффект, позволит повысить экономическую эффективность производства, ресурс работы ответственных деталей и узлов технологического оборудования в 1,5 – 2 раза по сравнению с металлическими изделиями аналогичного назначения. Применение медицинских имплантатов нового поколения на основе биокомпозиционного материала на основе наноструктурного / титана и керамического покрытия позволит значительно снизить расходы на лечение травм и заболеваний, значительно увеличить количество пациентов, получающих специализированную помощь за счет уменьшения сроков лечения в 1,5-2 раза.
^ Технологическая сфера
 Электроника и оптоэлектроника

 Электроника, Х Высокие технологии,  Информация,

 Связь,  Оптоэлектроника

 Механика и аэронавтика

 Механика,  Аэронавтика,  Астронавтика,

 Автоматика,  Электричество, X Транспорт

Х Материалы и химическое производство

 Химическая промышленность,  Новые материалы

Х Биотехнологии и Фармацевтическая промышленность

Х Биотехнологии, Х Медицина, Х Фармакология

 Поддерживающее производство

 Энергия,  Ресурсы,  Технологии защиты окружающей среды, Х Безопасность и здоровье

 Другое (указать)


^ Основные характеристики разработки/технологии
Назначение/описание
(сфера применения)

Наноразмерные материалы – нанопорошки металлов для твердотопливных ракетных ускорителей, пиротехники, сырьё для новых технологических процессов в химической промышленности, составы для низкотемпературной пайки для электронной промышленности, солнечная и водородная энергетика, присадки к моторным маслам для легкового и грузового автотранспорта, присадки к смазкам для узлов трения насосов, гидроагрегатов и т.д., сырье для производства нановолокон, абразивные микропорошки, порошковые легирующие материалы, компоненты керамики, сорбенты для извлечения из воды токсичных металлов (уран, мышьяк, свинец, кадмий и т. д.), хитозан, аир, пектин и др. БАВ с размером частиц в десятки и сотни микрон

^ Объемные наноструктурные материалы – имплантаты для ортопедии и травматологии, крепежные центра для электрохимической обработки лопаток ГТД, разделительные шайбы для погружных насосов применяемых при нефтедобыче, твердый электролит для датчиков определения содержания кислорода в расплавах металлов для металлургии, нанокерамические лопатки для пусковых турбин авиационных двигателей, подшипники качения для ГТД, сопла гидромониторов для угледобычи, заготовки для биоимплантантов для ортопедии и травматологии, носители лекарств.

^ Наноструктурные покрытия и пленки – участки упрочнения режущего инструмента, деталей машин и механизмов технологического оборудования для машиностроения, авиакосмической индустрии.

^ Технические характеристики

Наноразмерные материалы:

Нанопорошки металлов и химических соединений – средний размер частиц 30-100 нм, порошки микрокапсулированы деагломерированы и фракционированы, содержание основной фазы 99,9 %.;

Абразивные субмикронные и порошки (нитриды, карбиды, оксиды), легирующие порошковые материалы, компоненты керамики – размер частиц 97 = 0,2 мкм; 97 = 0,3 мкм; 97 = 0,5 мкм; 97 = 0,7 мкм; 97 = 1,0 мкм и т.д.;

Биологически активные вещества и лекарственные субстанции – размер частиц в микронном диапазоне, порошки деагломерированы и микро-капсулированы;

Металлосодержащие присадки к смазочным материалам на основе нанопорошков мягких металлов – размер наночастиц 150 – 200 нм;

Нановолокна для производства высокопрочных композиционных материалов – оксигидроксидные фазы алюминия, диаметр 5 нм, длина 100-200 нм, удельная поверхность 300-400 м2/г ;

^ Объемные наноструктурные материалы:

Имплантаты для ортопедии и травматологии из биокомпозиционного материала на основе наноструктурного титана – соотношение Ca/P – 0,45, адгезионная прочность >4 МПа, толщина покрытия – 80 мкм;

Конструкционная керамика на основе диоксида циркония и изделия из нее – ключевые характеристиками предела прочности на изгиб 800-1200 МПа при вязкости разрушения до 20 МПа*м½ и плотности 5,8-6,0 г/см 3;

Крепежные центра для электрохимической обработки из конструкционной нанокерамики – крепежный центр из нанокерамики весит около 50 гр.;

Разделительная шайба из конструкционной нанокерамики для погружных насосов – масса 200 гр.;

Твердый электролит из конструкционной нанокерамики для датчиков определения содержания кислорода в расплавах металлов – изделие весом около 1 гр.;

Нанокерамические лопатки для пусковых турбин авиационных двигателей – рабочая температура нанокерамических лопаток ГТД ожидается, составит, до 2000С. Вес изделия – около 100гр.;

^ Наноструктурные покрытия и пленки:

Оборудование для нанесения наноструктурных поверхностных слоев на режущий инструмент, детали машин и механизмов.

Сравнение

с существующими аналогами


^ Наноразмерные материалы:

Нанопорошки металлов и химических соединений – ЭВП-порошки удобны в обращении – менее пирофорны или непирофорны в сравнении с порошками, полученными другими методами.

Абразивные субмикронные и порошки (нитриды, карбиды, оксиды), легирующие порошковые материалы, компоненты керамики – увеличение производительности, ликвидировати, отсутствие проблем, связанных с утилизацией токсичных отходов и вредностью производства;

Биологически активные вещества и лекарственные субстанции – высокая чистота продукта, высокая доля выхода экстрагируемых веществ;

Металлосодержащие присадки к смазочным материалам на основе нанопорошков мягких металлов – обеспечивают снижение износа двигателя в 1,5 раза, расхода масла до 20%, топлива до 5%, дымности в 1,4-1,6 раза и токсичности выхлопных газов на 20%-30%, снижение вибрации подшипников на 25 – 30 % и увеличение ресурса работы подшипников в 1,5 – 2 раза;

Нановолокна для производства высокопрочных композиционных материалов – увеличение прочностных характеристик термопластов на 200 – 300 % относительно базового полимера за счет введения керамических нановолокон;

^ Объемные наноструктурные материалы:

Имплантаты для ортопедии и травматологии из биокомпозиционного материала на основе наноструктурного титана – известные медицинские имплантаты из никелида титана содержат в поверхностных слоях вредный для организма никель в концентрациях не менее 10 ат.%.

Конструкционная керамика на основе диоксида циркония и изделия из нее – ведущие мировые поставщики нанокерамических материалов на рынок выпускают конструкционную нанокерамику с вязкостью разрушения 8-10 МПа*м1/2, плотностью 5,7-6,0 г/см3. При этом ключевой показатель - предел прочности на изгиб составляет от 651 МПа до 800-1100 МПа;

Крепежные центра для электрохимической обработки из конструкционной нанокерамики – твердостью не менее чем в 2 раза выше, чем тантала и в 2-3 раза более высокий ресурс работы центров и сохранение прецизионной точности при электрохимической обработке;

Разделительная шайба из конструкционной нанокерамики для погружных насосов – коррозионная и абразивная стойкость нанокерамики в 3-5 раз выше, чем у металлических и текстолитовых разделительных шайб;

Твердый электролит из конструкционной нанокерамики для датчиков определения содержания кислорода в расплавах металлов – более высокую однородность структуры, высокая стабильность результатов измерений;

Нанокерамические лопатки для пусковых турбин авиационных двигателей – вязкоупругие и прочностные свойства нанокерамики позволят обеспечить срок службы не ниже срока службы титановых изделий, однако при этом будет достигнута более высокая рабочая температура;

Сопла гидромониторов из конструкционной нанокерамики – высокая износостойкость обеспечивает в 1,5-2 раза более высокий ресурс работы по сравнению с изделиями из твердых сплавов;

Заготовки для биоимплантантов из пористой нанокерамики – высокая прочность соединения с костной тканью, не токсичен, лишен хрупкости, устойчив к знакопеременным нагрузкам, обладает высокой износоустойчивостью, характер пористости близок к поровой структуре костной ткани, а механические свойства идентичны свойствам натуральной кости.

^ Наноструктурные покрытия и пленки:

Оборудование для нанесения наноструктурных поверхностных слоев на режущий инструмент, детали машин и механизмов – технологии модификации и упрочнения инструмента, деталей машин и механизмов уникальны и позволяют добиться в разы более высоких прочностных свойств и ресурса работы изделий по сравнению с традиционными технологиями.
^ Конкурентные преимущества (экономические)
Наноразмерные материалы:

Нанопорошки металлов и химических соединений – низкая себестоимость цена 60 - 100 $ за 1 кг. при цене на международном рынке от 200 до 1000 $/кг;

Биологически активные вещества и лекарственные субстанции – цена порошков лекарственных субстанций составит 15-50 $/кг., при стоимости аналога 20-150 $/кг.

Металлосодержащие присадки к смазочным материалам на основе нанопорошков мягких металлов – цена 2,3 $ за 200 мл присадки (аналог от 1,6 до 50 $. за упаковку 250 мл.);

Нановолокна для производства высокопрочных композиционных материалов – 200 $ за 1 кг.

Объемные наноструктурные материалы:

Имплантаты для ортопедии и травматологии из биокомпозиционного материала на основе наноструктурного титана;

Конструкционная керамика на основе диоксида циркония и изделия из нее – дешевле в 8-10 раз в сравнении с зарубежными аналогами;

Крепежные центра для электрохимической обработки из конструкционной нанокерамики – цена единицы изделия составляет 3,3 $/шт. Цена танталовых центров на порядок выше цены предлагаемых материалов.

Разделительная шайба из конструкционной нанокерамики для погружных насосов – цена – 3,3 $/шт. (значительно меньше затрат на ее замену);

Твердый электролит из конструкционной нанокерамики для датчиков определения содержания кислорода в расплавах металлов – цена керамической части 0,8 $/шт. Аналог стоит не менее 1 $/шт;

Нанокерамические лопатки для пусковых турбин авиационных двигателей – цена лопатки из нанокерамики 100 $/шт. при аналогичной цене стандартной титановой пусковой лопатки – около 100$%;

Сопла гидромониторов из конструкционной нанокерамики – цена изделий из нанокерамики 200$/шт;

Заготовки для биоимплантантов из пористой нанокерамики – цена 1-2 тыс. $/шт., а изготавливаемые из титановых сплавов эндопротезы стоят на рынке от 1 до 3 тыс. $;

^ Наноструктурные покрытия и пленки:

Оборудование для нанесения наноструктурных поверхностных слоев на режущий инструмент, детали машин и механизмов – цена установки – от 150 тыс. $. Цена аналогов – от 300 тыс. $.

^ Существенные признаки новизны (инновационный потенциал)

Наноразмерные материалы:

Нанопорошки металлов и химических соединений – чистота продукта связана только с чистотой исходного металла и инертной атмосферы, в который проводиться процесс;

Абразивные субмикронные и порошки (нитриды, карбиды, оксиды), легирующие порошковые материалы, компоненты керамики – увеличение класса точности;

Биологически активные вещества и лекарственные субстанции – доведение биологического материала до размеров наночастиц, что позволяет увеличь выход активных веществ;

Нановолокна для производства высокопрочных композиционных материалов – полная совместимость керамических нановолокон с полимерной матрицей.

Нанокерамические лопатки для пусковых турбин авиационных двигателей – увеличение рабочей температуры до 2000 С.

Объемные наноструктурные материалы:

Имплантаты для ортопедии и травматологии из биокомпозиционного материала на основе наноструктурного титана – высокая биосовметимость;

Конструкционная керамика на основе диоксида циркония и изделия из нее – расширение области применения материала в автомобилестроении, металлургии, авиакосмической индустрии;

Заготовки для биоимплантантов из пористой нанокерамики – высокая биохимическая совместимость.

^ Наноструктурные покрытия и пленки:

Оборудование для нанесения наноструктурных поверхностных слоев на режущий инструмент, детали машин и механизмов – использование уникальной экологически чистой технологии модификации и упрочнения инструмента, деталей машин и механизмов.

Рыночный потенциал (для разработок/ технологий двойного назначения другие возможные области применения и потенциальные потребители)

Предприятия авиакосмической, химической, фармацевтической, пищевой промышленности, машиностроения, металлургии, медицины, транспорта.

^ Оценка рынка, объем платежеспособного спроса и его география


Потребности мирового рынка в нанопродуктах, составят более чем 10,2 млрд. долл. в год.

^ Наноразмерные материалы и продукты на их основе:

При стоимости 200 $., ежегодный спрос зарубежных компаний на нанопрошки металлов более 10 т. ежегодно. Только для для Argonide Corp., США в течение двух лет мы должны произвести 500 кг нанопорошков металлов на сумму 100 000 $. А для приготовления присадок в Китае, необходимо произвести и поставить около 3-х тонн нанопорошков ежегодно. Компания Umicor (Бельгия) предполагает за пять лет приобрести в Томске до 10 тонн нанопорошка цинка. Для обеспечения спроса предприятий Сибирского региона в металлоплакирующих присадках необходимо не менее 750 кг нанопорошков мягких металлов ежегодно.

Объем реализации керамических субмикронных порошков составит не менее 175 т. /год.

Платежеспособный спрос на присадки к моторным маслам только в Западно-Сибирском регионе достигнет 10000 л (50000 флаконов).

^ Объемные наноструктурные материалы:

По данным BCC Market Research (2002), только рынок США по функциональным, конструкционным керамическим изделиям сложной формы в будет составлять в 2006 г. - US$ 3,059 млрд. (среднегодовая скорость роста 5.3%).

Общий объем рынка нанокерамических материалов по данным Freedonia составляет не менее US$ 7,9 млрд. в год.

^ Наноструктурные покрытия и пленки:

Емкость мирового рынка услуг по нанесению высокопрочных износостойких покрытий - $ 1.2 млрд. USD, при ежегодном росте 10-15%, емкость мирового рынка оборудования по нанесению таких покрытий - $3.9 млрд. USD, при ежегодном росте 11%.

По России рынок оборудования по нанесению наноструктурных покрытий на инструмент и детали машин составляет более 1000 единиц.

Цена комплекта оборудования для нанесения наноструктурных покрытий и упрочнения режущего инструмента составляет 14,5 млн.руб.

^ Текущая стадия развития разработки/технологии
 НИР

Х макет, опытный образец

 промежуточный НИОКР, дополнительные исследования

Х промышленный образец

 ОКР, проектно-сметная документация

 товарная продукция
^ Стадия коммерциализации
 проведены маркетинговые исследования

Х уже на рынке России

 наличие бизнес- плана

Х зарубежный рынок

^ Режим охраны и порядок использования интеллектуальной собственности (ИС)



 в режиме know-how

 соглашение о распределении прав на объекты ИС

 подана заявка на патенты, но патенты еще не получены

 имеется лицензионное соглашение

Х патенты получены

 другое (указать)

Комментарии (даты и номера имеющихся документов/патентов, патентообладатель)

Получено более трех десятков патентов, в том числе международные.

^ Владелец прав на объекты интеллектуальной собственности

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Институт сильноточной электроники СО РАН;

Томский государственный университет;

Томский политехнический университет

^ Срок выполнения работ, необходимых для доведения разработки до коммерциализации, результаты

- этапы работ

1. Завершение НИОКР и ОКР. Проведение маркетинговых исследований рынка западных стран и рынка азиатско-тихоокеанского бассейна.

2. Получение опытных образцов оборудования, отработка технологий. Подготовка бизнес-планов производства оборудования и оказания услуг. Поиск инвесторов и промышленных партнеров.

3. Получение промышленных образцов. Подготовка промышленного выпуска оборудования и полномасшабного оказания услуг. Создание совместных предприятий с участием инвесторов и промышленного партнера.

4. Организация промышленного производства и сбыта продукции.

- срок выполнения работ

2006-2009 гг.

- ожидаемые результаты

Организация промышленного производства наноматериалов и изделий из них, и увеличение в течение 5 лет объемы производства высокотехнологичной продукции. Получение чистой прибыли концу 2009 г. около 50 млн. $ в год.

Необходимые финансовые ресурсы для выполнения проекта (в долларах США)
^ Общая стоимость проекта
По согласованию (около $10 млн)
Источники финансовых средств
По согласованию

1. Бюджетные средства




2. Средства заказчика




3. Собственные средства




4. Другое (указать)



^ Направления расходования финансовых средств (тыс. руб.) - оборудование


- материалы


- оплата труда


- прочие расходы (указать)






^ Потенциальный промышленный партнер

-полное наименование

Промышленный партнер должен организовать продажи материалов, оборудования и технологий, оказать содействие в проведении маркетинга организаций и предприятий, выпускающих аналогичную продукцию или имеющих сходный технологический цикл.
^ Организации – соисполнители
- наименование

Институт сильноточной электроники СО РАН;

Томский государственный университет;

Томский политехнический университет;
^ Необходимая помощь от возможного партнера
– Поиск инвесторов.

– Поиск потенциальных промышленных партнеров для организации совместного производства.

– Помощь в установлении контактов с крупными потенциальными зарубежными потребителями нанопорошков.

Помощь промышленного партнера:

– Помощь в организации продаж материалов, оборудования и технологий.

– Помощь в проведении маркетинга организаций и предприятий, выпускающих аналогичную продукцию или имеющих сходный технологический цикл.