Создать корпорацию, вложить деньги и назвать продукт нано — это самый легкий путь. Главное, чтобы в погоне за модным понятием и длинным рублем не были утрачены разработки ведущих российских конструкторов, а требования и заказы промышленности не иссякали.
Вот и практически минул основной этап наноэпохи в России. Этап этот связан с одобрением в 2006 году Правительством РФ концепции федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры нанотехнологий в Российской Федерации», когда была образована Российская государственная корпорация нанотехнологий (теперь корпорация «Роснано»). Тремя годами раньше приказом № 2398 от 04.06.03 Министерство образования РФ открыло новое направление подготовки дипломированных специалистов — «Нанотехнология», «Наноматериалы» [1]. Таким образом, за минувшее время должно было быть осуществлено два выпуска упомянутых специалистов по крайней мере в двух вузах (Институтэлектронной техники и Институт стали и сплавов), подготовленных для работы в научно-исследовательских учреждениях и на производстве. В связи с этим возникает естественный вопрос, работает ли хоть кто-нибудь из них по выбранной и такой модной специальности. И почему в последние 5 лет широкой общественности не доступны экономические и научные результаты от деятельности предприятий, связанных с корпорацией Роснано (если не считать выступление руководителя этой государственной структуры об огромном экономическом эффекте).
Теперь настало время напомнить читателю, что же такое наноразмерность (наноструктурность, нанофазность и вообще наночтото), нанотехнологии и нанорезультаты, достигнутые наукой и техникой до наноэпохи.
Вообще, все, что связано с наноразмерами, пришло в российскую науку, технологию, технику как-то вдруг, не открыв ничего нового. До этого всё, имеющее сверхмалые размеры, измерялось в микрометрах (его долях) или в ангстремах (величина, на порядок меньше, чем нанометр). Преимущества сверхмелкой структуры перед крупной, например, в металловедении, давно известны, исследовались, испытывались, практически применялись и широко использовались во многих отраслях промышленности. Действительно, с уменьшением размера макрозерна повышается прочность, в том числе и с сохранением пластичности, проявляется эффект низкотемпературной и высокотемпературной сверхпластичности, наблюдается увеличение теплоемкости и коэффициента термического расширения, значительно возрастают коэффициенты диффузии, несколько снижается температура плавления, изменяются другие физические константы. Особая роль, естественно, всегда отводилась диффузионным процессам в системе, их активации. Диффузия по границам зерен, как известно, — один из основных физических процессов, определяющих развитие зернограничной пластической деформации, межзеренного разрушения, рекристаллизации и коалесценции зернограничных фаз в поликристаллах металлических сплавов при повышенных температурах. А если размеры кристаллов составляют величину порядка нескольких периодов кристаллической решетки, т. е. порядка 10–100 Å (1–10 нм), то до 50 % объема материалов приходится на границы зерен (рис. 1).
Дисперсионно твердеющие сплавы, дисперсно-упрочненные (внутреннеокисленные) композиции, известные многие десятки лет, структурно совершенствовались в части размеров кристаллов и зерен, а особенно, в части размеров и морфологии частиц фазовых составляющих (рис. 2).
Рис. 1. Схема строения нанокристаллического материала: черные кружки — атомы в объеме кристаллов, светлые — атомы, принадлежащие границам кристаллитов.
Рис. 2. Характерная микроструктура дисперсионно твердеющего сплава. Большинство выделений когерентно связаны с матрицей. Контраст от выделений оценивается в среднем 10 нм.
Миниатюризация, компактность, уменьшение размеров носителей и уплотнение информации, возможность проникновения в ранее недоступное и т. д. — давно понятная проблема, которая решалась и решается творческими профессиональными коллективами по мере финансирования и обеспечения исследований и производства необходимым оборудованием.
В результате, в частности, металловедами и металлургами были разработаны уникальные сплавы, порошковые композиции и технологии их производства, обеспечивающие определенную заданность свойств и решение сложнейших научно-технических проблем.
Только в цветной металлургии и в качестве только мизерной части этих проблем можно назвать сверхпластичные, пружинные, коррозионностойкие, сверхупругие, износо- и кавитационностойкие, жаропрочные, дисперсно-упрочненные и дисперсионно твердеющие сплавы различного назначения, сплавы с памятью формы и демпфирующие сплавы, сплавы космического, авиационного и оборонного назначения, материалы, обеспечивающие высококачественную сварку и пайку разнообразных ответственных объектов промышленности.
Приставка нано почти через четверть века разорения отечественной науки удовлетворила всех: и ученых, которые, учитывая их средний возраст, собираются доработать при деньгах, и государство, которое делает вид, что вот наконец-то появилась перспективная проблема, ради которой стоит употребить средства, и общественность, которой обещают чуть ли не через 5–7 лет «наноманну небесную».
На самом деле можно утверждать, что приставка нано вошла, в частности, в профессиональный сленг российских металловедов и металлургов (нанотехнологии, наноструктурные или наноструктурированные металлы и сплавы, нанофазность и т. д.) в связи с открытием только в 1985 году фуллеренов — определенных структур углерода (размеры были указаны в нанометрах). Основным элементом таких структур является наноразмерный графитовый слой определенной формы и конфигурации
(Нобелевская премия по химии за 1996 год). В 1991 году вслед за открытием фуллеренов были обнаружены новые углеродные структуры — нанотрубки (протяженные структуры в виде полых цилиндров). Естественно, что одновременное образование фуллеренов и нанотрубок приводило к образованию многослойных наноструктур и так называемых пиподов (фуллеренов внутри нанотрубок). Вслед за этим всеобщее внимание исследователей привлекла возможность замены фуллеренов в нанотрубках металлами, инертными к углероду — Cu, Zn, Al и др., или активно взаимодействующими с ними и образующими карбиды — Ti, Zr, Cr, Nb и др. [2].
Не вдаваясь в подробности исследований углеродных наноструктур, структур с металлами (меткары типа М8 С12) и неметаллами, в последние 15–20 лет все же получены и в России ряд поразительных практических результатов в целом ряде отраслей промышленности. Эти результаты, связанные с резким уменьшением размеров зеренной структуры и микрообъемов различных объектов, можно отнести к наноструктурным или нанофазным: полупроводниковые и магнитные материалы, которые используются при изготовлении микродиодов, элементов памяти с миллионной плотностью, транзисторов, компьютеров, DVD-дисков, совершенствовании и миниатюризации мобильной телефонии и т. д. Достигнуты также значительные успехи в фармакологии, в медицине, в гальванопластике, в прочности и трибостойкости гальванопокрытий, инструментальной, стекольной и бетонной промышленности.
Итак, принятый критерий структурной наноразмерности металлических материалов связан с их геометрическими параметрами как исходных, например порошков, так и уже изготовленных изделий по той или иной технологии. Условились, что за наноматериалы следует принять такие материалы, величина макрозерна в которых была бы по форме вполне определенной (высокоугловая разориентировка), а фазовые составляющие в них не превышали 100 нм хотя бы в одном направлении
Рис. 3. Кручение под гидростати.
Рис. 4. Равноканальное ческим давлением угловое прессование.
(1 нм = 10–9 м). Критерий наноразмерности (не более 100 нм) в настоящее время можно принять не более как условную величину, поскольку в довольно многочисленной информации на этот счет приводятся цифры от 10 до 300 нм. Химический состав, атомная структура, форма и размеры кристаллитов, так же как границ раздела, могут различаться и оказывать значительное влияние на свойства наноструктурных материалов. Соответственно наноструктурные материалы можно классифицировать по химическому составу и форме кристаллитов. По форме кристаллитов наноструктурные материалы делят на слоистые, волокнистые и равноосные, для которых соответственно толщина слоя, диаметр волокна, размер зерна или фазового выделения меньше некоторого условного значения (100 нм) [2,4].
Технологии, обеспечивающие получение наноматериалов, стали сопровождать приставкой нано. В настоящее время к основным нанотехнологиям, распространенным в цветной металлургии, следует отнести следующие:
- доведение размеров порошков до наноразмеров с дальнейшим использованием обычных методов компактирования, принятых в порошковой металлургии, в том числе синтез композиций методом механического легирования;
- получение фольги и лент с помощью контролируемой скорости охлаждения при их кристаллизации;
- использование методов интенсивной пластической деформации литых и порошковых заготовок (кручение под гидростатическим давлением (рис. 3), равноканальное угловое прессование (рис. 4), знакопеременный изгиб и др.);
- совершенствование микроструктуры и создание новых материалов на основе эффектов дисперсионного твердения и дисперсного упрочнения (нанофазность).
В цветной металлургии пока наиболее широко проводятся исследования и уже достигнуты результаты на меди, алюминии и композициях на их основе, будь то модельные материалы или реальные изделия.
Миниатюризация или даже возможность создания новых совершенных изделий, приборов и устройств с применением наноструктурных материалов, обладающих заданным сочетанием свойств — важнейшая решаемая проблема современной промышленности, но далеко не единственная.
В настоящее время практически ни одним из перечисленных выше наноприемов нельзя решить проблему крупногабаритных или длинномерных изделий. Например, кристаллизаторов непрерывного литья и бандажей для получения аморфных и нанокристаллических лент, электродов и контрэлектродов некоторых типов контактной и стыковой сварки, радиаторов и составных теплообменных частей жидкостных реактивных двигателей, жаропрочных проводников электрического тока и кабелей, износостойких троллей и т. д.
Сюда же можно отнести и реставрацию изделий с применением оплавления присадочных материалов и любую сварку плавлением. Остается за пределами многих из перечисленных наноизысков и проблемы повышения качества и рентабельности производства проката на заводах ОЦМ. Например, горячая прокатка высокооловянных бронз или холодная — алюминиевых.
Решительно отвергая уже довольно широко озвученное мнение некоторых специалистов о бесперспективности синтеза новых сплавов на основе использования ранее известных теоретических основ и методов упрочнения металлических материалов, ряд предприятий, сохранившихся после вмешательства новаторов от науки, успешно решают эти задачи. Осуществляется практическая реализация в промышленном масштабе новых дисперсионно твердеющих сплавов, используют модифицирующее влияние многослойных фуллереновых наноструктур на фазовый состав медных сплавов, морфологию выделений фазовых составляющих, образование новых карбидных фаз — упрочнителей с Nb, Cr, Si, Ni [2]. Для низколегированных медных сплавов реализуется теория необходимости создания многофазных дисперсионно твердеющих сплавов, где каждая из образующихся в сплаве фаз несет ответственность за свою температурную область его упрочнения (эстафетное или каскадное упрочнение). Отсюда повышение жаропрочности, температурно-временных параметров эксплуатации и некоторых других физических и механических свойств. Подобное касается как конструкционных, так и проводниковых сплавов [4,5].
Созданы новые дисперсионно твердеющие медные сплавы на базе сплавов, упрочняемых холодной деформацией, когда в результате небольшой коррекции состава и варьирования режимами термической и термомеханической обработки измельчается их макроструктура, изменяется характер распределения фазовых составляющих, повышается технологичность металлургического производства полуфабрикатов.
Не исключается, что при дальнейших исследованиях наноструктурных материалов будет учитываться эффект инициирования интенсивной пластической деформацией перехода двухфазных сплавов в пересыщенный твердый раствор и его последующий распад при нагреве, возврат в равновесное состояние с помощью выделений фазовых составляющих и их коалесценции с температурой. Поскольку распад твердого раствора происходит до начала роста зерен, возможно ожидать обеспечение довольно высокой прочности материалов [5].
Всё, что было показано выше, было научно обосновано, разработано, опробовано и внедрено в различные отрасли промышленности и без специальных постановлений, касающихся наноструктур и нанотехнологий, если не считать дополнительного стимулирования по Федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники на 2002–2010 гг». Здесь и пластины режущего инструмента, и ультрадисперсные порошки, и противоизносные моторные масла, и тончайшие износостойкие покрытия и получение фольги вместе с конкретными сложными изделиями и коррозионностойкими покрытиями методом испарения и конденсации в относительно глубоком вакууме, и еще многое другое. Были разработаны, широко распространены и внедрены в машиностроение, судостроение, инструментальную промышленность совершенные композитные материалы, дисперсно-упрочненные сплавы. Разработан, испытан и освоен в производстве новый теплопроводный свариваемый и термостойкий сплав для ракетных двигателей многоразового использования, решена проблема износостойких проводов для Московской монорельсовой транспортной системы и многое-многое другое [3–5].
Главное в обеспечении промышленности новыми, совершенными материалами (нано они или нет) связано с конкретной технически и экономически обоснованной потребностью именно в них, в их качестве и комплексе свойств. А такое совмещение новейших конструкций и изделий с материалами не всегда осуществляется из-за зачастую отсутствия во главе конструкторского бюро или предприятия ГОЛОВЫ, способной на творческое созидание этого новейшего. Дело в том, что сдвиг, который произошел в образовании в последние 25–30 лет в экономико-юридическую область знаний привел к смене специализации руководства этими предприятиями, что не могло не сказаться на качественном совершенстве всего создаваемого.
Уход из жизни таких генеральных конструкторов и одновременно руководителей предприятий, как С. П. Королев, В. П. Глушко, Н. А. Пилюгин, В. Н. Челомей, Н. Д. Кузнецов, М. К. Янгель, А. Н. Туполев, М. Л. Миль, П. О. Сухой, А. И. Микоян, А. С. Яковлев и многих других великих, естественно наложил отпечаток на положение с техническим оснащением отечественной промышленности. Однако надежда на возрождение своей электроники, машино и станкостроения, черной и цветной металлургии, сельскохозяйственного машиностроения, текстильной и инструментальной промышленности и некоторых других отраслей отечественного хозяйства все же, не без основания, осталась. И связано это, в первую очередь, с возрождением академической и особенно отраслевой науки. Для этого, как мне кажется, сейчас есть все основания.
Рис. 5. Схема процесса получения технических композиционных проводов, содержащих высокопрочные Cu-Nb элементы с нанометрическим размером структурных составляющих. Cu-Nb элементы распределены в высокопроводной матрице из меди.
Осталось, как было обещано в начале статьи, привести хотя бы один из примеров реализации весьма громогласного инновационного нанопроекта [6]. Посвящен он созданию промышленного производства нового класса наноструктурных высокопрочных высокоэлектропроводных электротехнических материалов для различных применений с годовым выпуском порядка 50 тонн. Эффект получения высочайших свойств связывали с переходом к наноразмерной структуре продукции, в которой ленточные волокна из ниобия имеют толщину менее 15 нм и равномерно распределены в медной матрице с расстоянием между волокнами не более 60 нм.
Нанокомпозиционные провода планировалось использовать для высокоскоростного городского электротранспорта и железнодорожного транспорта, высокопрочных проводов для ЛЭП и энергохозяйства, силовых проводов для космической техники, авиации и флота, особо прочных микро-проводов для электроники, фольги для гибких проводов и печатных плат, индукторов для магнитоимпульсной штамповки, высокопольных импульсных магнитов с индукцией 70–100 Тл. Стоимость проекта составила 1020 млн руб. (финансирование за счет средств ВНИИНМ и РОСНАНО).
Промышленное производство в полном объеме (надо полагать, 50 тонн) планировалось в ООО НПП НАНОЭЛЕКТРО где-то на 2015 год с объемом годовой планируемой выручки 885 млн руб. В среднем продукция, значит, будет стоить 17700 руб. за 1 кг (это просто баснословные деньги).
Бывший Всесоюзный научно-исследовательский институт (ВНИИНМ) имени академика А. А. Бочвара, обозвав себя Высокотехнологическим (это, надо полагать, вместо такой значимой буквы "В"), видимо совсем забыл и о диаграмме состояния Cu-Nb, и о растворимости ниобия в меди в высокотемпературном расплаве (двукратный дуговой переплав) (рис. 5), и о фактическом износе поверхности троллейных проводов на высокоскоростных магистралях, и о соединении монтажных проводов с помощью штепсельных разъемов, механические свойства которых совсем иные, и о необходимой для скоростной железнодорожной магистрали минимальной длине одного отрезка провода (1500 м), что составляет минимум 1600 кг, и, наконец, о стоимости этого отрезка.
Не понятно, на каком же оборудовании можно получить этот отрезок (уж не по технологической ли схеме, изображенной на рис. 5?!!!).
В случаях изготовления проводов или прутков сравнительно крупного сечения (ориентировочно 80–100 кв. мм) возникает проблема их соединения по длине. Сварка решительно не подходит, так как в этом случае теряются практически все преимущества наноструктурного деформированного состояния изделия. В случае любого механического соединения неминуемы все недостатки контактов (потеря высоких механических свойств основной части изделия, искрение, повышение контактного электросопротивления и др.)
Кроме того, многие из перечисленных в проекте проводниковых изделий не могут быть изготовлены в полном объеме на таком сравнительно малом предприятии, каким является вновь созданное научно-производственное предприятие НАНОЭЛЕКТРО (например, транспортные троллейные провода для высокоскоростных магистралей). Технология, которая разработана ВНИИНМ [6], совершенно не приспособлена для любого отечественного кабельного или иного промышленного металлургического производства.
Работу, финансируемую РОСНАНО и имеющим замечательные научные традиции ВНИИНМ им. А. А. Бочвара (бывшая славная «ДЕВЯТКА») следует именовать еще и ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫМ (за государственный счет) проектом.
В заключение следует особо отметить, что даже серьёзно пострадавшая в пресловутые девяностые годы российская академическая и особенно отраслевая металловедческо-металлургическая наука обеспечит отечественную машиностроительную и любую другую промышленность материалами с новым, более высоким сочетанием различных свойств, будь то нано или нет. Важно, чтобы требования и заказы промышленности не иссякали.
А. К. Николаев, профессор, д. т.н.Литература
- Карабасов Ю. С., Аксенов А. А., Астахов М. В. Наноматериалы и нанотехнологии в МИСиС.//Цветные металлы. 2005, № 9, С. 6–9.
- Николаев А. К. Райков Ю. Н., Ашихмин Г. В., Ревина Н. И. Нанотехнологии в металлургии (Обзорная информация). М., ОАО «Институт Цветметобра-ботка». 2007. 112 с.
- Кочанов Д. И. Наноматериалы и нанотехнологии для машиностроения: состояние и перспективы применения.//РИТМ. 2010. № 8. С. 16–21.
- Николаев А. К. Дисперсионно твердеющие сплавы имеют большой нанопотенциал.//РИТМ. 2011. № 3, С. 31–35.
- Николаев А. К., Костин С. А. Медь и жаропрочные медные сплавы. Энциклопедический и терминологический словарь. Фундаментальный справочник. — М.: Издательство ДПК Пресс. 2012. — 720 с.
- ВНИИНМ им. А. А. Бочвара. Создание промышленного производства нано-структурных электротехнических проводов со сверхвысокой прочностью и электропроводностью. Инновационный проект. ТК Росатом. ТВЭЛ. 2008. С. 13.
Николаев А.К., профессор, д.т.н.,
журнал «РИТМ», 2016 г.