Наноматериалы в Беларуси и их применение

Петр Витязь Владимир Урбанович

первый заместитель Председателя Президиума НАН Беларуси, академик

заведующий лабораторией тугоплавкой керамики и наноматериалов Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси, кандидат физико-математических наук

Наноматериалы в Беларуси и их применение

Интерес к наноматериалам в мире непрерывно растет. Новую научно-техническую революцию связывают именно с использованием наноматериалов, которые, захватывая все новые и новые области знаний и различных применений, обещают многое изменить в нашем привычном окружении и образе жизни. Они становятся приоритетом номер один в США, Японии, Китае, Индии и др. В этих государствах разработаны комплексные целевые программы развития в сфере наноматериалов и нанотехнологий. Согласно прогнозам японского Института комплексного прогнозирования, будущий рынок товаров и услуг в области наноматериалов можно разделить на следующие основные направления: информационные технологии и электроника; материалы и методы их обработки; измерения, отделка, моделирование; экология и энергетика; биология и медицина; сельское хозяйство; авиация и космическая техника.

В Беларуси среди приоритетных научных исследований, утвержденных на 2О0б—2010 гг., особое место занимает создание новых материалов и технологий их получения, важнейшими из которых являются наноматериалы. Работы в этом направлении проводятся уже длительное время, но сейчас они выделены в отдельную государственную комплексную программу научных исследований «Наноматериалы и нанотехнологии», в которой участвуют как институты Национальной академии наук и высшие учебные заведения, так и предприятия различных отраслей промышленности.

Программа включает 6 разделов, связанных друг с другом: 1. Углеродные нанотрубки и фуллерены; 2. Сверхтвердые и тугоплавкие наноматериалы; 3. Магнитные наноматериалы; 4. Наноэлектрони-ка и микротехника; 5. Композиционные наноматериалы; 6. Физико-технологические основы систем с наноразмерным структурированием. Она является продолжением предыдущей государственной программы ориентированных фундаментальных исследований с таким же названием, выполнявшейся в 2003—2005 гг. В ее рамках основной упор делался на получение фундаментальных знаний в области наноматериалов и нанотехнологий.

В результате выполнения указанной программы удалось сформировать новые научные коллективы, включающие специалистов из различных организаций. Этому способствовал комплексный характер заданий, объединивших представителей академической и вузовской науки. Получен ряд научных результатов, соответствующих мировому уровню и представляющих интерес для дальней-

шего их использования в научных и практических целях. Это нашло отражение в публикациях и докладах на различном уровне.

КРАТКИЕ ИТОГИ

Участниками программы изданы 21 монография, 23 сборника научных трудов, 9 учебных пособий, опубликовано около 800 научных статей, в том числе за пределами Беларуси: 10 монографий, 3 сборника научных трудов, более 350 научных статей. Получено 34 патента на изобретения и 23 положительных решения, подано 85 заявок на получение патента, в том числе 6 на полезные модели. Участниками программы защищено 9 докторских и 19 кандидатских диссертаций. Исполнители заданий программы приняли участие в работе около 300 международных и республиканских конференций, семинаров, сделав более 500 устных и стендовых докладов. Ими было организовано 8 международных научных конференций и семинаров, в частности III Белорусско-российский семинар по наноматериалам (12—15 октября 2004 г., ОИФТТП НАН Беларуси), III Международный симпозиум по фуллеренам и фуллереноподобным структурам (22—25 июня 2004 г., ИТМО нАн Беларуси), Международные научные конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» ФТТ-2003 и ФТТ-2005 (4—6 ноября 2003 г. и 26—28 октября 2005 г., ОИФТТП), VI-й Белорусский семинар по сканирующей зондовой микроскопии (12—14 октября 2004 г., Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси). Также стала тра-

диционной международная научная конференция «Nanomeeting», посвященная физико-химии и технологии наноструктур, проводящаяся каждые два года в БГУИР («Nanomeeting-2005», 24-27 мая 2005 г.).

В Республиканском центре трансфера технологий проведен семинар «Состояние и перспективы наноматериалов и нанотехнологий в Беларуси» с участием представителей ГВПК, а также промышленных предприятий Беларуси ОАО «Пеленг», НПО «Интеграл», РУПП «БелАЗ». Семинар вызвал интерес и способствовал обмену информацией в области наноматериалов и нанотехнологий между специалистами различных отраслей промышленности. Признано целесообразным подобные мероприятия сделать регулярными.

Принято участие в выполнении 38 международных проектов по программам ИНТАС (16 проектов), НАТО «Наука ради мира» (4 проекта), НАТО «Cooperation Linkage Grant» (3 проекта), МНТЦ, БРФФИ-РФФИ и другим, в которых, как правило, руководители заданий являлись содиректорами проектов. Это позволяет привлечь дополнительные инвестиции для развития теоретических и экспериментальных работ.

Интерес к полученным результатам проявил и ряд отечественных и зарубежных промышленных предприятий и организаций: БелАЗ, Республиканское унитарное предприятие конструкторское бюро «Дисплей», НИКТП «Белмикросистемы», Минский НИИ радиоматериалов, Завод вычислительной техники, ОАО «Минский завод отопительного оборудования», ОАО «Гомельстекло», Республиканское унитарное научно-производственное предприятие «Витебский завод радиодеталей», ПО «Монолит», Минский тракторный завод, ОАО «Амкодор-Ударник», ОАО «Мотовело», НПО «Синта», ОАО «Белмедпрепараты», Минский авиаремонтный завод, ОАО «Бел-кард», НПО «Центр», ОАО «Полоцк-стекловолокно», ЗАО «Группа-Кремний» и Научно-технический центр схемотехники и интегральных технологий (г. Брянск), Королевский университет г. Кингстона (Канада), университет г. Штутгарта (Германия), ЦНИИ материалов Российского агентства по обычным вооружениям, Институт обработки металлов г. Кракова (Польша).

НАНОТЕХНОЛОГИИ ШАГАЮТ ПО СТРАНЕ

Результаты, полученные в ходе выполнения программы в 20032005 гг., уже нашли применение в научных организациях и на некоторых промышленных предприятиях Республики Беларусь.

В ИТМО им. А.В. Лыкова организовано опытное производство углеродных нанотрубок и фуллеренов. Их использование позволит отечественным исследователям разрабатывать новые виды наноматериалов и технологий их получения для различных отраслей промышленности, а также наладить их выпуск. Уже заключен международный контракт на разработку установки по производству углеродных наноматериалов на сумму 200 тыс. долл. США. На основе фуллеренов получено новое вещество Cu6C60, показавшее высокие эмиссионные свойства.

На НП ЗАО «Синта» разработана и внедрена технология детонационного синтеза ультрадисперсных алмазных порошков с при-

менением конверсионных зарядов гетерогенных взрывчатых веществ на основе тротила и гексогена. Производственные мощности НП ЗАО «Синта» и БГНПК ПМ позволяют производить до 10 т алмазосодержащей шихты в год, из которой после химической очистки можнополучатьдо 2тультрадисперсных алмазов. С участием ЗАО НПО «Синта» в 2005 г. в Китае создана совместная компания по производству УДА и заключен контракт на сумму 1 млн долл. на поставку оборудования и технологий. Подписано соглашение о закупке Японией 50 кг наноалмазов. В настоящее время прорабатывается вопрос по заключению контракта на поставку ультрадисперсных алмазов в Иран.

Нанопорошки алмазов успешно применяются для получения композиционных материалов, упрочняющих покрытий, антифрикционных присадок к маслам, которые обеспечивают значительное снижение трения (30—40%) и износа деталей (1,5—2 раза), экономию горюче-смазочных материалов (5—15 %).

Композиционные электрохимические покрытия на основе хрома с использованием наноалмазов характеризуются повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью, обладают высокой микротвердостью (до 14 ГПа) и низким коэффициентом трения. Такие покрытия позволяют повысить стойкость режущего инструмента в 1,5—2 раза. Использование наноалмазов при хромировании конструкционных деталей позволяет снизить толщину покрытия в 2—2,5 раза, не ухудшая его эксплуатационных свойств.

Созданы опытные установки по синтезу нанодисперсных порошков алмаза и кубического нитрида бора, а также сверхтвердых и тугоплавких наноматериалов на их основе (ИПМ, ИМИНМАШ, ОИФТТП). Изучены особенности структурных и фазовых превращений в углероде, происходящих в процессе синтеза алмаза при высоком давлении с использованием наноалмазов в качестве активирующей добавки. Впервые синтезирован алмазный нанопорошок с размерами поликристаллических частиц 0,5—10 мкм и блоками когерентного рассеяния 10—50 нм при низких давлениях 1—2 ГПа (ИМИНМАШ).

Термобарическое спекание порошка наноалмазов, модифицированных неалмазным углеродом, позволило получить поликристаллы с мелкозернистой структурой размером до 1 мкм и более высокой микротвердостью 55—б5 ГПа. На основе нанопорошков алмаза и кубического нитрида бора были получены компактные поликристаллические материалы, обладающие высокодисперсной микроструктурой и высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками (ИМИНМАШ). Они будут использованы при финишной обработке легированных сталей, сплавов цветных металлов, хрупких неметаллических материалов на ряде промышленных предприятий Республики Беларусь: ОАО «Амкодор», ООО «Рухсервомотор», ГНПК «Планар». Разработан композит на основе нитрида кремния с высокими физико-механическими характеристиками: твердость — до 18 ГПа и трещиностойкость до 13 МПам1'2, который может быть использован в качестве инструментального материала (ОИФТТП). Разработаны методики и созданы установки для получения алмазоподобных пленок и на-нопорошков, перспективных для использования в микроэлектронике, оптике, механике, медицине (НИИ ПФП БГУ, ИМАФ, БГНПК ПМ, ИЦ «Плазмотег»).

В Белорусско-российском университете (Могилев) создана гамма механически легированных наноструктурных материалов с особыми свойствами. В рамках деятельности налаженного здесь малотоннажного производства в период 2003—2005 гг. по заказам промышленных предприятий республики из наноструктурных материалов изготовлены электроды для контактной сварки на сумму 11,6 млн руб. Университетом подписан контракт с Seoul National University, Research Institute of Advanced Materials (SNU-RIAM) на сумму 40 тыс. долл. США о совместных исследованиях в области промышленной технологии получения механически легированных наноструктурных жаропрочных материалов с особым комплексом физико-механических свойств.

В рамках договора о научно-техническом сотрудничестве Республики Беларусь и Кореи в Белорусско-российском университете готовится контракт по разработке научных и технологических принципов получения составов механически легированных нано-структурных дисперсно-упрочненных жаропрочных алюминиевых и медных материалов с особыми свойствами, превосходящих по прочности аналоги на 20—35%.

Технопарком «Метолит» БНТУ изготовлены опытные партии полидисперсного аморфно-кристаллического порошка оксидной керамики TiO2 — SiO2 — Al2O3 — ZrO2 различного фракционного состава для плазменного упрочнения деталей нефтеперерабатывающего оборудования (МНПЗ, г. Мозырь), судовых двигателей (НИИ морской теплотехники, г. Санкт-Петербург), штамповой оснастки (УП «Агат-Классик», г. Новополоцк). В настоящее время на этих предприятиях проводятся эксплуатационные испытания упрочненных деталей.

Успешно апробирована при обработке поверхностей деталей номенклатуры НПО «Интеграл» и РУП «ММЗ им. С.И. Вавилова» и планируется к внедрению на этих предприятиях технология финишного магнитоабразивного полирования наноалмаза-ми пластин монокристаллов кремния (подложки интегральных схем), оптических стекол и фторидов бария, кальция и магния (оптически активные элементы силовых лазерных устройств), обеспечивающая формирование нанорельефа поверхностей

с высотой неровностей менее 20 ангстрем, что соответствует лучшим мировым образцам (ИМИНМАШ, Технопарк «Метолит» БНТУ). На рис.1 представлен нанорельеф поверхности флюорита и кремниевой пластины.

Для ПО «МОНОЛИТ» (Витебск) разработаны состав и технология получения магнитомягких ферритов на основе NiZnCu-нанопо-рошков с низкой температурой спекания, которые будут использоваться для производства многослойных монолитных индуктивных элементов на ПО «МОНОЛИТ» (ИОНХ).

В Объединенном институте физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси разработаны износостойкие магнитопроводы на основе многослойных структур, которые по магнитным статическим характеристикам превосходят промышленно выпускаемые магнито-мягкие материалы. На основе новых материалов ОИФТТП совместно с заводом им. С. Орджоникидзе изготовлена опытная партия магнитных головок (200 шт.) для Минского метрополитена. Ведутся переговоры о поставках этой продукции Московскому метрополитену. Планируется сотрудничество и с другими предприятиями.

ОИФТТП на основе датчиков Холла разработан ряд приборов различного назначения. Датчик контроля степени намагниченности электромагнитной вставки используется в ОАО «Атлант» (г. Минск). Магнитосенсорный датчик применяется в РУП «Брестское депо» (Белорусская железная дорога). Датчики ДУПХ, ВБК, ДТПХ в количестве 45 штук используются в УП «Белкоммунмаш».

Результаты расчетов и компьютерного моделирования, а также экспериментального исследования по оптимизации миниатюрных магнитных систем находятся на стадии внедрения в конструкции типоряда механоэлектрических датчиков и сенсоров, изготавливаемых в ОИФТТП для ряда ведущих машиностроительных заводов Республики Беларусь: УП «Белкоммунмаш», РУПП «БелАЗ», ЗАО «Атлант», ЗАО «Электромеханический завод» (г. Молодечно) и предприятий Российской Федерации: Челябинский тракторный завод, ООО «Вист-Групп» (г. Москва), ООО «Инвестпроект» (г. Москва) и др. Опытный образец механоэлектрического преобразователя для измерения больших сил до 106 Н, который встраивается в железнодорожный рельс и определяет вес желез-

Veece

;or1eu Piel

líVOJu.. r.-

_ И 4,1. A T ir Г - I

'г ш rii и I мл-ш h

J TJ

л.1 rif K:-ÜI I

"¿J

•У Ш-т !И  "К

к. B-¡

л Л J 1 n

1- 1

lÜhlll Phil hi

№ 1 -л -Ш

и l Al.Ti

KFL t, tíiN *

2 Г". d > л

r.L-lpa i-I«

m

"ж. urv.

uh ы ::iik

Tflp- CaFj£-R*nr1 -Jm- U-J

ш

I

f и л к к i: i: «: к к- ik ui

wicimi :i

4 k'-1 >- u.

:i4i.

.-i >t4'

.шМ i. hs.1 J.

I

1 lVj I jr.r. ¿Ji.-jj.iJ

Рис. 1. Нанорельеф поверхности флюорита (а) и пластины монокристалла кремния (б).

Рис. 2. Люминисцентные изображения образцов, легированных Eu и 1Ъ из ксерогелей

нодорожного состава в движении, передан для проведения экс-плутационных испытаний на ЗАО «Электромеханический завод» (г. Молодечно).

Впервые в мире в БГУИР разработаны и изготовлены экспериментальные образцы микродисплея на основе наноструктурированно-го кремния, совместимого со стандартной технологией кремниевых КМОП СБИС (рис. 2). В рамках новой программы планируется внедрение результатов на ведущих предприятиях радиоэлектронной промышленности Беларуси (БелОМО, НПО «Интеграл», КБ «Дисплей» и др.) и России.

Разработана технология микроформования на основе микро- и наноструктурированных оксидов, пористого кремния, полимерных материалов, позволяющая создавать движущиеся высоконадежные элементы микроэлектромеханических систем (МЭМС) с высоким аспектным соотношением матриц (до 50 мкм) и толщинами (до 500 мкм). Использование инертных ультрадисперсных частиц высокоизносостойких материалов позволило формировать нано-структурированные гетерогенные элементы МЭМС с улучшенными эксплуатационными свойствами: микротвердость повышается в 2 раза, износостойкость — в 2—2,5 раза, коэффициент трения и токи коррозии уменьшаются в 1,5 и 1,6 раза соответственно. Изготовлены действующие макеты пневматического и электромагнитного микродвигателей (рис. 3). Планируется внедрение результатов выполненной работы на НПО «Интеграл» и «Планар», а также на предприятиях аэрокосмического комплекса России (ИЦ «Плазмотег», ФТИ).

В БГУИР разработаны влагосодержащие конструкции экранов электромагнитного излучения на основе волокнистых наноструктуриро-ванных материалов (рис. 4). Показана возможность их применения для создания интегрируемых панелей, ограничивающих побочные

электромагнитные излучения средств вычислительной техники, в целях обеспечения защиты информации, снижения их биологического воздействия на живые организмы. Предложено использовать разработанные конструкции экранов для защиты человека от излучения мобильных радиотелефонов в диапазоне частот выше 200 МГц. Получено снижение радиолокационной заметности наземных объектов до 2,5 раза. По тематике проекта заключены договоры о сотрудничестве с ОДО «Карельский шунгит» и с компанией <^ВС» (г. Братислава, Словацкая Республика) с финансированием работ.

В БГНПК ПМ разработаны методики сепарации наноразмерных порошков гидродинамическим методом и методом электродинамического псевдоожижения, эффективные при получении на-норазмерных порошков узких фракций в диапазоне 100—950 нм, которые найдут применение в БГНПК ПМ, НПО «Интеграл», на заводе «Сенсор» БелОМО им. Вавилова, ПО «Горизонт», на Брестском радиотехническом заводе, ПО «Монолит» (г. Витебск) и др.

В БГУИР разработана технология получения износостойких композиционных покрытий на основе сплава олово-никель на периодических и программируемых токах для подвижных электрических контактов. Эти результаты планируется использовать при разработке технологии сборки ИЭТ на основе безсвинцовой припойной композиции на УП «Завод Транзистор» НПО «Интеграл».

Разработанная в Полоцком госуниверситете технология электроискровой наплавки диффузионно-легированных электродных сплавов быстро изнашиваемых деталей технологического оборудования, мобильных машин, сельхозтехники апробирована для упрочнения деталей рамных пил (ГЛХУ «Глубокский опытный лесхоз»), восстановления роторов турбокомпрессоров дизельных двигателей (ОАО «Витебский мотороремонтный завод»). Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии составит более 100 млн руб.

В Институте механики металлополимерных систем НАН Беларуси разработаны рецептуры и технологии получения пленочных био-разлагаемых нанокомпозитов на основе крахмалонаполненных по-лиолефинов, предназначенных для изготовления тары и упаковки. На промышленных предприятиях СП «Бигвест» и ОАО «Гайна» (г. Минск) выпущены опытные партии биоразлагаемых полимерных материалов. БелНИИ санитарии и гигиены выдано разрешение на использование таких пленок в контакте с пищевыми продуктами.

Рис. 3. Макеты пневматического и электромагнитного микродвигателей

Рис. 4. Конструкции машинно-вязаных полотен для экранов и поглотителей электромагнитного излучения

Период их практически полного биоразложения в почве составляет 3—12 месяцев.

В ИММС НАН Беларуси также активно ведутся исследования в области полимерных нанокомпозитов. Введение нанодисперсных алмазов в количестве 0,001—1% в полимерные материалы существенно улучшает их технологические и эксплуатационные свойства, прочность, износостойкость, коэффициент трения, адгезию и др. Такие композиции на основе отечественных марок полимеров успешно заменяют в ряде случаев импортное сырье за счет более низкой стоимости. Полимерная композиция для трибосопря-жений на основе конструкционных термопластов внедрена в ЗАО «ПО «ТРЕК» (г. Миасс, Россия) на сумму 132 тыс. рос. руб. Разработанные материалы и технологии их получения найдут применение в ОАО «Гродно Химволокно» и «Могилев Химволокно».

В БГУ разработаны и внедрены в РУП «Криптотех» Гознака (Беларусь) и ООО «Технолог» (Россия) полимерные пленки с обратимой и необратимой фотоиндуцированной анизотропией для создания латентных изображений и записи голограмм, применяемые для защиты ценных бумаг, документов и изделий с объемом внедрения 112,5 млн руб. (рис. 5).

В Гродненском государственном университете разработаны эффективные технологии, которые внедрены на многих предприятиях республики: в СООО «Технополимер» — кольцо щеточное; в ООО «Техполимер» — нанофазный модификатор на основе слоистых силикатов; в ОАО «Гродненский завод автомобильных агрегатов» — композиционный демпфирующий материал для автомобильной техники; в ОАО «Лакокраска» (г. Лида) — элементы бисерных мельниц (на общую сумму 89,4 млн руб.).

В ИМИНМАШ разработан состав комплексной литиевой смазки, модифицированной частицами ультрадисперсного алмаза, которая будет применяться в узлах трения мобильных машин, сельхозтехники, технологического оборудования, эксплуатирующихся при значительных нагрузках (до 40 МПа) в широком

Рис. 5. Прототипы скрытых изображений: слева макроизображение, справа — микроизображение

диапазоне температур (от -45оС до +150оС, с кратковременным перегревом до 180оС).

Производство смазки, модифицированной наноразмерными алмазами, будет начато в 2006 г. на участке по выпуску смазочных материалов ОДО «Спецсмазки» Академтехнопарка НАН Беларуси. Мощность установки, используемой для производства модифицированной пластичной смазки, составляет 25 т в год. Потенциальными потребителями этой продукции являются РУП «ПО БелАЗ», РУП «ПО «Гомсельмаш» и другие предприятия Минпрома, Минтранса, Минсельхозпрода, концерна «Белэнерго».

Созданная в Гомельском госуниверситете полирующая суспензия на основе наноразмерных частиц диоксида кремния, стабилизированная этилендиамином, внедрена в серийное производство на УП «Завод Камертон» (г. Пинск) и на ЗАО «Группа-Кремний» (г. Брянск, Россия) для предварительной полировки (I стадия) пластин монокристаллического кремния.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Несомненно, перечисленные достижения являются только началом внедрения наноматериалов и нанотехнологий в промышленность Беларуси. Более широкое использование результатов работ предусмотрено в новой Государственной комплексной программе «Наноматериалы и нанотехнологии» на 2006—2010 гг. В рамках ее реализации будут решены основные задачи:

• исследование механизмов синтеза углеродных нанотрубок и фуллеренов, а также разработка высокопроизводительных методов их получения для создания новых материалов и приборов на их основе;

• исследование, разработка и коммерциализация новых типов сверхтвердых и тугоплавких наноматериалов на основе алмаза, кубического нитрида бора, карбидов, боридов, нитридов, оксидов и технологий их получения;

• исследование процессов структурообразования и разработка магнитомягких и магнитожестких нанокристаллических материалов с высокими магнитными характеристиками;

• разработка, исследование и доведение до уровня коммерциализации ряда устройств и систем наноэлектроники, формируемых на основе наноструктурированных кремния и окиси алюминия, а также органических и неорганических молекул;

• разработка и исследование новых функциональных и конструкционных нанокомпозитов в виде частиц, слоев, покрытий, объемных материалов различного назначения для использования в промышленности;

• разработка новых принципов и методов исследования и диагностики материалов, сред и систем с наноразмерным структурированием.

Инновационный путь развития Республики Беларусь предусматривает коммерциализацию научных исследований. Поэтому одной из актуальных задач является формирование рынка наноматери-алов и нанотехнологий, который в Беларуси еще не сформирован. Данная проблема характерна не только для нашей страны. Решение этой задачи позволит создать систему эффективного использования полученных результатов на практике.