РАЗВИТИЕ РАБОТ В ОБЛАСТИ РАЗВИТИЕ РАБОТ В ОБЛАСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОМАТЕРИАЛОВ И

НАНОТЕХНОЛОГИЙ В АТОМНОЙ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В АТОМНОЙ ОТРАСЛИОТРАСЛИ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Зав. отраслевой лабораторией Росатома В.Ф. Петрунин«Ультрадисперсные (нано-) материалы»акад. РАЭН, д.ф.м.н.

20092009

«Самые успешные инновационные проекты – «урановый» проект СШАи аналогичный проект СССР – сталипотому успешными, что ими руководиликоманды великих ученых ….»

Нобелевский лауреат Ж.И. Алферов

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение2. Фундаментальные представления3. Способы получения наноматериалов4. Нанотехнологии5. Нанопрудукция6. Выводы, заключение

ВВЕДЕНИЕВВЕДЕНИЕНа предприятиях и организациях атомно-энергетической промышленности

в 50-е годы прошлого столетия при создании диффузионных технологий изотопного обогащения урана и технологических операций ядерно-топливного цикла были впервые синтезированы наноразмерные металлические порошки. Их производство (УЭХК, г. Новоуральск) и успешное применение было отмечено в 1958 г. Ленинской премией (И.К. Кикоин, И.Д. Морохов, В.Н. Лаповок и др.).

Исследования ультрадисперсных (нано-) материалов сотрудниками МИФИ начаты в 1976 году. Приказ МинСредмаша СССР и МинВуза СССР в 1979 и приказ ректора МИФИ от 07.01.1980 г. о создании отраслевой лаборатории придал этим работам целенаправленный характер и помог создать материальную, интеллектуальную и методическую базу. В 80-х годах выполнены теоретические и экспериментальные исследования фундаментального характера особенностей атомного строения и свойств, развиты физические представления наноструктурного состояния вещества.

С 1996 г. работы по ультрадисперсным (нано-) материалам ведутся в рамках отраслевых научно-технических программ (Л.Д. Рябев, И.М. Каменских, В.Ф. Петрунин), включающих получение ультрадисперсных порошков и других наноматериалов, исследования свойств, разработку методик аттестации, а также их использования для улучшения характеристик материалов и совершенствования технологий, применяемых на предприятиях атомной энергетики и других отраслей.

1950-е г.г. «Оксалатные» порошки (СССР), Ленинская премия за применение УДП (Морохов И.Д., Лаповок В.Н., Голин Ю.Л. )

1972 Электроконденсационный синтез УДП (Ген М.Я.) 1976 Создание лаборатории УДМ В НПО «Красная Звезда» 1979 Секция «Ультрадисперсные системы» при совете АН СССР1980 Создание отраслевой лаборатории УДМ в МИФИ1981 Определение термина «Ультрадисперсные среды» (УДС)1984-2008 I-VIII Всесоюзные и Всероссийские конференции ФХУДС1986,1995 Программы НИР в МИНВУЗе России1996-2006, Целевые программы НИОКР в МИНАТОМе России (Рябев Л.Д.,

Каменских И.М., Петрунин В.Ф., секция НТС)2002-2009 Совет, программа и Всероссийские конференции РАН2000-2009 Ежегодные семинары (отраслевые совещания) в МИФИ2004 Концепция развития работ в области наноматериалов ….2005-2006 Раздел «Индустрия нано-систем и материалы» в ФЦНТП 2007-2012 Раздел в ФЦП «Исследования и разработки …. 2007-12 г.г.»2007-2011 ФЦП «Национальная технологическая база России»2006 Отраслевой центр ГК «Росатом»2007 ГК «Роснано»2008-2010 ФЦП «Создание инфраструктуры наноиндустрии»2008-2015 Президентская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии»2009-2013 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры»

История изучения и применения УДП в России

О терминологии УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

(порошки, материалы, среды…) …Ультрадисперсные материалы включают все конденсированные системы, чей дисперсный компонент настолько мал в одном, двух или во всех трех измерениях (<100 нм), что геометрический размер морфологического элемента (частица, кристаллит, зерно, пора…) становится соизмеримым с характеристическим корреляционным масштабом какого-либо физического явления или характерной длиной какого-нибудь транспортного процесса в этом веществе (размер электрического или магнитного домена, длина свободного пробега электронов, длина волны фононов, дислокация или дисклинация и.т.д.).

Примеры: тонкие пленки и покрытия, нитевидные кристаллы и полимерные волокна, ультрадисперсные порошки и их компакты, поры и высокодисперсные выделения фаз в сплавах и.т.д. По этому определению наноструктурные материалы, нанофазы, нанокристаллы могут считаться компактными УДС 

Морохов И.Д., Петинов В.И., Трусов Л.И., Петрунин В.Ф. Успехи физ. наук, 1981, т.133, вып.4, с.653-692.ОНИЛ-724, МИФИ

ТЕРМИНЫпо Концепции развития в Российской Федерации

работ в области нанотехнологий на период до 2010 г.

«НАНОТЕХНОЛОГИЯ» - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба; в более широком смысле – этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

«НАНОМАТЕРИАЛ» - материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и благодаря этому, обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Постановление Правительства РФ от 14.12.2004 г.

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ОСОБЕННОСТЕЙ

УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО (НАНО-) СОСТОЯНИЯ

• Ограничение законов классической физики из-за малого (100 нм) геометрического размера нано- частиц, соизмеримого с одной или несколькими фундаментальными величинами конденсированного вещества Ф.

LФ • Рост удельной поверхности S и доли поверхностной энергии

FS до значений, сравнимых с объемной энергией FV.

FVFS • Экстремальные условия синтеза, способствующие

неравновесному (метастабильному) состоянию.

Петрунин В.Ф. Физикохимия ультрадисперсных систем, сб. научн. трудов V Всерос. конф., Часть 1, Екатеринбург: УрО РАН, 2001, с.5-11

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

• а – идеальный кристалл• б – реальный (частично

разупорядоченный) поликристалл• в – ультрадисперсный (нано-) материал• г – аморфный (частично упорядоченный)

материал• д – идеально аморфное (полностью

разупорядоченное) вещество

Petrunin V.F. // Nanostruct. Mater. 1999. V12. P.1153

Атомное строение наночастиц отличается и от кристаллов и от аморфных материалов.

В кристаллах можно обнаружить атомный порядок на очень больших расстояниях (более 100 Å), в аморфных материалах только на коротких (менее 10 Å), а в наночастице на промежуточных расстояниях (10 - 100 Å).

Так что состояние вещества нанометрового масштаба является промежуточным между кристаллическим и аморфным.

Фотонно-корреляционная спектроскопия

«PhotoCor Complex-1»

Экспрессное (15 мин) определение размера частиц: 15000 нм (точность ±15%); объём образца 1мл.

Рентгеноструктурный и фазовый анализ (ДРОН-

УМ-1)

Межатомные расстояния (период решетки); d/d = 210-5

среднеквадратичные смещения атомов, неоднородная деформация (напряжение II-го рода), фазовый состав (±5%).

Нейтронография (John Curran)

Структурный и фазовый анализ слабоупорядоченных структур, магнитные структуры, системы с близкими (например Fe-Ni) или далекими номерами в Периодической системе (U-O2, U-H2, Me-O).

Сканирующая зондовая микроскопия (СММ-

2000Т)

Наноструктуры с разрешением: 10 нм в режиме СТМ; 15 нм в режиме АСМ; образец 10 мм, h = 3 мм.

Оптическая микроскопия (Carl Zeiss

Axioplan 2)

Максимальное увеличение 2000, разрешение по Z 25 нм (с помощью механики).

Спектродеситометрия (Spectrocam)

Измерение отражения во всем видимом спектре каждого цвета (380750 нм), сканирующая функция определяет цветовую гамму.

Синхронный термоанализатор STA

409 Luxx

Одновременное определение изменения массы и тепловых эффектов, происходящих при температурах до 1550 0С. Скорость нагрева 050 К/мин. Масса образца от 10 мг.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ МАТЕРИАЛОВМАТЕРИАЛОВ

В.Ф. Петрунин, Инженерная физика, №4 ,2001, с.21

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯСПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

1. Химический способ получения нано-кристаллических оксидных порошков (МИФИ)

2. Электрохимический способ получения нанопорошков (Уральский Электрохимкомбинат)

3. Способ получения нанокристаллических порошков металлов из их гидридов (ВНИИНМ им. ак. А.А. Бочвара )

4. Плазмохимический способ получения нанокристаллических порошков (Сибирский химический комбинат)

5. Лазерно-плазменный синтез алмазных пленок (в ГНЦ РФ ТРИНИТИ совместно с ЦЕНИ ИОФ РАН)

6. Детонационный способ получения наноалмазов (комбинат Электрохимприбор)

7. Ж идкометаллическая технология получения наноматериалов ( ГНЦ РФ – ФЭИ и ОЦНТ г. Обнинск)

8. АДУ – технология получения нанопорошков UO2+x

9. Установки для получения нанокластеров и приготовления наноструктурированных поверхностей

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ (НАНО-) ПОРОШКОВ

Топливные таблетки для АЭС

ПЭМ-изображение ультрадисперсного порошка UO2+x

АСМ-изображение участков

поверхности спечённыхтопливных т а блеток

Характеристики добавляемого ультрадисперсного порошка UO2+x :

•средний размер частиц – 350 нм;•средний размер кристаллитов – 40

нм;•удельная поверхность – 9,9 м2/г;•кислородный коэффициент – 2,15.

Для улучшения характеристик (совершенствования технологии получения) топливных таблеток диоксида урана с помощью добавок ультрадисперсных порошков в разработке МИФИ совместно с ВНИИХТ показана возможность снижения темпера-туры спекания на ~ 200 градусов и/или увеличения размера зерна до 3540 мкм без ухудшения других характеристик.

В.Ф. Петрунин, А.В. Федотов, А.Б. Малыгин, В.В. Шилов Патент №2186431 от 10.07.2000

Нанокерамика ZrO2

Физические свойства нанокерамики,полученной в МИФИ

Тспект, С ОКР, нм , г/см3 <Hv>, ГПа К1с, МПа м–1/2

1400 27 4,73 (77,6 %) 9,0 2,5

1500 33 4,82 (78,9 %) 8,8 2,5

1600 35 4,82 (78,9 %) 7,0 2,9

Керамические (ZrO2) чувствительные элементы датчиков кислорода,

полученные с использованием упрочняющих добавок наноструктурированного оксида алюминия

Основные характеристики:– геометрические размеры:диаметр 10 мм; длина – 1015 мм;– открытая пористость ~ 0 %;– плотность – 5,89 ÷ 5,95 г/см3 (теор. плотность 6,02 г/см3);– прочность при изгибе (20 °С) – 700–900 МПа;– термостойкость ~ 100 °С/с

Керамика на основе ZrO2 с использованием наноструктурированного аэрогеля AlOOH

П.Н. Мартынов, Р.Ш. Асхадуллин, VI Всероссийская конференция ФХУДС

Керамика из нанокристаллических порошковНа СХК имеются установки по выпуску 24 тонн в год нанокристаллических порошков оксидов металлов, которые могут быть сырьем для получения изделий конструкционной керамики. В установках осуществляется плазмохимический синтез, в частности происходит термическое разложение диспергированных на капли растворов солей металлов в плазме дугового и высокочастотного разряда.

Материалкерамики

Размер частиц, мкмОтносительная

плотностьПрочность

на изгиб, МПаТвердость, ГПА

Аl2О3 1–1,5 0,92 350 18–20

ZrО2 + 3 моль % Y2О3

0,4–0,6 0,95 400 10–12

76 % ZrO2 + 20 % Al2ОЗ + 4 % Y2ОЗ

0,3–0,6 0,98 1100–1200 15–16

Полученная керамика имеет следующие характеристики

Керамические изделия успешно работают в тяжелых условиях трения и износа в различных областях техники благодаря: высокой стойкости режущей кромки лезвия при резке труднообрабатываемых материалов; стойкости в агрессивных средах; высокой прочности и вязкости; высокой износостойкости.

Нанокерамические пластины

Спекание при 1450 °C, 6 мин d = 190 нм

Спекание при 1450 °C, 30мин d = 260 нм

Защитные пластины (СвердНИИХИМмаш) из нанокерамики на основе оксида алюминия с высокой износостойкостью. Изготавливаются из наноразмерных порошков магнитно-импульсным

прессованием и спеканием.

НанокраскиТипографские краски, разработанные в МИФИ, для защиты ценных бумаг и изделий от подделки на основе ультрадисперсных (нано-) порошков (с размерами частиц 0,005–0,5 мкм) в качестве пигментов обладают совокупностью трех защитных признаков (магнитные свойства, цвет, ИК-прозрачность). Проведены лабораторные и производственные испытания нано-красок в ЗАО «Опцион» (печать ценных бумаг) и в Объединении «Гознак». На выставке NTMEX 2004 эта разработка награждена дипломом Московского комитета по науке и технологиям.

Нанокомпозитные многослойные радиопоглощающие материалы для защиты потребителя от электромагнитного излучения (мобильного телефона, СВЧ-печи и др.) МИФИ

Толщина материала 1-2 мм

Плотность материала 0,3 г/см3

Диапазон СВЧ-поглощения 0,812,0 см

Окна прозрачности для основной частоты передающе-приемных устройств

Любые в диапазоне 0,812,0 см,в зависимости от параметров

защищаемого устройства

Среднее ослабление излучения 7 дБ

Пиковое ослабление излучения 30 дБ

Количество слоев материала от 5 до 10 в зависимости отпараметров защищаемого устройства

Гранулированные сорбенты с сорбционно-активныминаноструктурированными мембранами (ФЭИ, ОЦНТ)

ИспользованиеПредназначены для высокоэффективной очистки загрязненных жидких и газовых сред:• жидкие радиоактивные отходы – от радионуклидов 137Cs и 90Sr; • питьевая вода – от токсичных примесей, железа, меди, марганца и др.;• технические, пищевые жидкости (спирты, горючие и токсичные жидкости); • аэрозоли – от радионуклидов йода и др.

Нанокатализаторы для дожигания Н2 в системах водородной безопасности АЭС

Никелевые пористые прокатные ленты (УЭХК, г. Новоуральск)

Техническиехарактеристики ленты

Номер технических условий

ЕКО.021.755ТУЕКО.21.740

Тип ленты 1 2 3

Толщина, мкм 457 9015 6010 557

Ширина, мм 60 – 90

Пористость Не более 15 20 – 30

Прочность на разрыв,МПа, не менее

88 150 100 64

Основные характеристики

Алюминийматричные борсодержащие композиты (боралкомы) (НИКИМТ)

НАНОТЕХНОЛОГИИТехнология нанесения наноструктурированных фильтрующих элементов (ФЭИ, ОЦНТ)

Плазма

Катод

Пористая подложка

Технология сорбционно-мембранной переработки среднесолевых (25 г/л) среднеактивных (105 Бк/л) ЖРО с их отверждением

Очистка питьевой воды для цеха по производствубезалкогольных напитков ЗАО «Угра»

Плазменно-пылевая технология получения наноструктурированных ДКМ

Дисперсные композиционные материалы (ДКМ) — порошки, состоящие из частиц размером 0,1 – 10 мкм, покрытых наноразмерными оболочками из различных элементов и соединений, образующих кристаллические, аморфные или квазикристаллические структуры. ДКМ находят применение в качестве дисперсных катализаторов, для изготовления абразивных, износостойких, высокопрочных, магнитонепроницаемых и прочих покрытий, при изготовлении наноструктурированных конструкционных композици-онных материалов, а также для повышения электрофизических характеристик ВТСП керамики (ГНЦ РФ ТРИНИТИ).

Фотография установки Схема реактора

НАНОПРОДУКЦИЯКерамические изделия на основе аэрогеля (ФЭИ, ОЦНТ)

Подшипники и пары трения из карбида кремния

Керамические тигли и стаканы из оксида алюминия

Изделия из диоксида циркония (свечи автомобильные, кольца уплотнительные, керамические зубья шнеков дробления)

Чувствительные элементы (твердые электролиты) датчиков газовых примесей в жидких металлах, в воздухе

Фильтры для очистки воды (ОЦНТ)

«Сфинкс – 01»Технические характеристики фильтраДавление фильтрации, МПа

0,2 – 0,6Тонкость фильтрования, мкм

0,1 – 0,3Скорость очистки воды, л/ч

70 – 100Ресурс фильтроэлемента, л

25 000Срок службы, лет

10Масса фильтра, кг

4,5Корпус

нержавеющая

стальОчистка фильтра

самоочистка

«Сфинкс – 07»Технические характеристики фильтраДавление фильтрации, МПа

0,2 – 0,6Тонкость фильтрования, мкм

0,1 – 0,3Скорость очистки воды, л/ч

500 – 700Количество фильтро-элементов, шт

7Ресурс фильтроэлемента, л

175 000Срок службы, лет

10Масса фильтра, кг

30Корпус

нержавеющая стальОчистка фильтра

самоочистка

Продукция Уральского электрохимического комбинатавыпускаемая с применением нанотехнологий

Батарея аккумуляторная 20НКБН-25-У3 ТУ16-89

ИЛВЕ.563512.005ТУпредназначена для запуска

авиационных двигателей и в качестве бортового

резервного источника питания

постоянным током

Никель-водороднаяаккумуляторнаябатарея 21НВ-7

Никель-водороднаяаккумуляторнаябатарея 21НВ-7

ЭХГ с жидким циркулирующим электролитом

Электромобиль «Антэл-2» с генератором «Фотон МВВ»

Высокоёмкие конденсаторы на основе нанопорошков Ta и Ni (ВНИИНМ им. А.А. Бочвара)

1 – патронный фильтр, материал Ti3Al,

пористость – 55 %; 2, 3 – патронные фильтры, материал Ni3Al,

пористость – 50 %; 4 – капиллярно-пористая заготовка для испарителя теплового насоса, материал Ti3Al,

пористость – 65 %, диаметр максимальной поры – 2 мкм.

Длинномерная деталь из пористого наноберилия. Длина трубчатой части – 600 мм, диаметр – 40 мм, плотность – 0,27 г/см3. Диаметр фланца – 108 мм, толщина – 8 мм, плотность – 0,40 г/см3. Прочность при сжатии материала: в трубчатой части – 24 МПа, во фланцевой части – 45 МПа.

Изделия с хромалмазным покрытием (комбинат «Электрохимприбор», г. Лесной)

Наименование материалаили продукта

АБРАЗИВЫ

Присадкик моторным

маслам

АЛКОН

АСТА

БАГГИ

ФИД

ФИН

Композиционные

электрохимические

покрытияна основе

ультрадисперсных

алмазных порошков

8

7

2

1

4

3

6

5

Трубчатые переходники и биметаллические трубы с поперечной слоистостью (НПО «Луч»)

Технология изготовления труб, разработанная ФГУП НИИ НПО «Луч», базируется на экструзии заготовки, герметизированной в оболочке, прецизионном профилировании методами обработки давлением, с использованием термообработки и облагораживающих химических процессов.

Коррозионная стойкость нелегированного и нанолегированного циркония и титана

МатериалВодные среды

Слабые щелочные растворы

Растворы солей

Агрессивные растворы  

Нелегированный  

α-Zr Обладают высокой

стойкостью

Обладают хорошей стойкостью Обладают

высокой стойкостью

Превышаютстойкость всех

металлов – особенно в окислительных средах

α-TiОбладает незначительной

коррозией

Нанолегированный  ω-Zr Сопротивление коррозии сопоставимо с платиной  

Разработанные технологии изготовления бесшовных труб и трубчатых переходников «цирконий (титан) – нержавеющая сталь» обеспечат изготовление изделий из нанолегированных материалов.

ВЫВОДЫВЫВОДЫ1. В атомной отрасли России создан значительный

исторически приоритетный научно-производственный и интеллектуальный задел в области наноматериалов и нанотехнологий.

2. Для дальнейшего развития атомной энергетики Росатому необходима отраслевая программа работ по разработке и применению нано-материалов и нанотехнологий, чтобы обеспечить конкурен-тоспособность на российском и международных рынках.

3. Для более успешного участия организаций и предприятий Росатома в конкурсах ФЦП и ГК «Роснанотех» необходимо создать отраслевой научно-образовательный центр «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вступайте в

НОР!В творческом

союзе - наша сила!