Научно-образовательный центр нанотехнологий в Санкт-Петербургском государственном горном институте

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008

Научно-образовательный центр нанотехнологий в Санкт-Петербургском государственном горном институте

Рассмотрены направления деятельности научно-образовательного центра нанотехнологий в области наноминералогии, нанометаллургии и наносистем в горном машиностроении. Представлены инновационные разработки синтеза новых наноматериалов, реализованные в промышленном производстве и новые методы наноструктурного регулирования химико-физических свойств поверхностей металлов.

Приведены данные о приборно-лабораторной базе научных исследований и развитию нанотехнологического образования в университете.

The activity directions of the research-educational center of nanotechnologies in the field of nanomineralogy, nano-metallurgy and nano-systems in mining machine building are studied. The innovative developments in the synthesis of new nano-materials, realized in the industrial production are presented as well as new methods of nano-structural regulation of the chemical and physical properties of metal surfaces.

The data about the facilities and laboratories used in scientific research and the development of nanotechnological education at the university are given.

Научно-образовательный центр нанотехнологий специализируется по трем направлениям: наноминералогия, нанометаллургия и наносистемы в горном машиностроении.

Развитие центра предусматривает реализацию полного инновационного технологического цикла от создания научных основ синтеза наноструктур и разработки нанотехнологий до их реализации в промышленном производстве с одновременной подготовкой высококвалифицированных кадров для наноиндустрии.

Широкое использование методов наносистем в области геологии и минералогии позволяет рассчитывать как на развитие фундаментальных знаний в науке о земле, так и на создание эффективных новых технологий поиска и добычи полезных ископаемых.

Развитие исследований в области наноминералогии направлено:

> на уточнение представлений о генезисе пород, руд, источников рудных элементов, природы нефтегазоносных залежей;

> определение возраста анализируемых образований по деталям распределения изотопных отношений в зонально-секториальных индивидах;

> выявление новых поисковых критериев и прогноза масштабности промышленно ценных геологических объемов;

> выделение новых промышленных типов руд природных и техногенных месторождений (со-

В.Л. Трушко,

д. т. н., профессор, проректор по научной работе

М.А. Пашкевич,

д. т. н., профессор, зав. кафедрой геоэкологии,

исполнительный директор ЦКП Аналитических исследований региональных проблем МСК

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г. В. Плеханова

держащих полезные компоненты на микронаноуровне);

создание принципиально новых материалов с необходимыми характеристиками (нанокерамики,

Рис. 1. Сверхактивный ионообменник карбо-сульфоалюминатного типа (В процессе синтеза нейтральная водная среда заменена на среду сильных электролитов, в результате время синтеза сокращено с 6 месяцев до 40 минут.

Способ внедрен с целью полного разделения ЛЇ

Рис. 2

а — Образцы нано-гидроксида алюминия, полученные в результате «экспресс»-карбонизации промышленных алюминатных растворов.

Толщина чешуек 30-50 нм. Применяется в технологии сорбентов и спецкерамики. б — Пластинчатая форма частиц ЛЇ(ОН)з, 10оС, і=6,5 ч. Толщина пластинок 100-200 нм

искусственных кристаллов минералов с заданными свойствами — октаэдрических алмазов, аметистов, изумрудов и др.);

выявление возможностей направленного модифицирования физико-химических свойств минералов с целью расширения возможностей обогатительных нанотехнологий (кристаллохимические и кристаллофизические исследования минеральных индивидов);

выявление онтогенического подхода к оценке технологических особенностей минералов и руд (учет кроме размера зерен их формы, природы срастаний, особенностей границ и их поверхности), что обеспечивает выбор оптимальных условий раскрытия зерен полезного компонента и на этой основе прогнозирование глубины, комплексности, экологичности их переработки.

В области нанометаллургии ведущей научной школой металлургов Санкт-Петербургского государственного горного института развиваются методы нанометаллургии при получении легких и редких металлов и новейших материалов на их основе при комплексной переработке сложного минерального сырья. В этом заключается отличие и особенность

выбранного научного направления (связь высоких нанотехнологий с общей технологией комплексной переработки сырья).

Ряд разработок внедрен в промышленность, в частности, реализован синтез сверхактивных ионооб-менников карбо-сульфоалюминатного типа (рис. 1). Использование этих ионообменников позволило решить важную народнохозяйственную задачу — создать технологию получения глинозема высших марок из низкокачественного алюминиевого сырья — нефелинов (Пикалевский глиноземный завод, Ачинский глиноземный комбинат). Внедрение нанострук-турированного карбо-сульфоалюминатного минерализатора в цементное производство обеспечило повышение качества портландцемента на основе нефелиновых шламов при существенном снижении энергозатрат. Проведены опытно-промышленные испытания многофункционального коагулянта-флокулян-та нового поколения карбоалюминатного типа, действие которого при очистке промышленных стоков сложного химико-минералогического состава на порядок эффективнее известных флокулянтов. Карбо-алюминатные нано-герметики использованы в системе санкт-петербургского метростроя.

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008

Рис. 3. Технология наноматериалов: а — на основе тугоплавких соединений, б — на основе тугоплавких соединений

В опытно-промышленном масштабе (Пикалев-ский глиноземный завод) синтезированы методом скоростной карбонизации алюминатных растворов тонкодисперсные гидроксиды алюминия сферолито-вого и пластинчатого типов, предназначенные для использования в производстве спецкерамики, сорбентов и др. (рис. 2, а, б).

Разрабатываются оригинальные способы получения наноструктурных порошков тугоплавких соединений металлотермическим восстановлением хлоридов (рис. 3, а):

Т1С14(ВС13) + № ^ Т1(В) + №С1,

Т1С14 + СиС1П1 + 4Mg ^ Т1С + 4MgCl2.

Разработка теоретических основ получения нанопорошков титана, циркония и бора путем восстановления расплавов, содержащих анионные группировки титана, циркония, субиона натрия, ионизированные кластеры, выявление возможности синтеза тройных соединений, осуществление процесса на атомномолекулярном уровне синтеза наноструктурных ту-

гоплавких соединений, фуллеренов, металлокарбо-нов путем восстановления ассоциатов хлоридов титана, бора и углерода в режиме «горения» позволяет синтезировать новую гамму наноматериалов для использования их в высоких технологиях.

При этом синтезируется карбид титана практически стехиометрического состава — Т1С0 98; параметр решетки 0,43267 нм. Синтезированный карбид представлен конгломератами, которые состоят исключительно из нанокристаллов размером 40-60 нм. При проведении процесса в атмосфере азота получается карбонит-рид, который имеет заданный состав и параметры решетки 0,42872 нм, размер отдельных зерен 30-50 нм.

Синтезирован полуфабрикат популярного керме-та Т1С/№ (рис. 3, б) при использовании в качестве восстановителя сплава магний — никель (размеры частиц карбида ~100 нм), а также композиционные металлические материалы Al-Mg-TiC.

Перспективность данного синтеза наноструктурных соединений титана заключается в том, что в основе его заложены элементы высокопроизводительной технологии и аппаратуры промышленного типа производства магниетермического титана.

Рис. 4. АСМ-реконструкция адгезионных взаимодействий на поверхности исходной стали

Рис. 5. АСМ-реконструкция адгезионных взаимодействий стали с защитным кремнийорганическим нанопокрытием

Таблица 1

Структурно- химические характеристики ЗЇ-С-содержащих металлические продукты, полученные последовательным восстановлением МСІ2 (МО) парами метилдихлорсилана и метаном

Наноструктурированные тугоплавкие соединения являются базовыми материалами передовых и наукоемких технологий в общем машиностроении, ядерной, аэрокосмической областях, химической промышленности и др. В частности, использование наноструктури-рованных тугоплавких соединений в электролизерах позволит увеличить срок службы их на 30%, существенно снизить стоимость алюминия и обеспечить экологическую безопасность в районе завода.

В области создания наносистем в горном машиностроении развиваются методы наноструктурного регулирования химико-физических свойств поверхности металлов:

Твердотельный гидридный синтез металлических материалов на основе №, ^, Zn, Fe. Синтез представляет восстановление в открытой проточной системе и по заданной программе твердых соединений металлов летучими термостойкими элементово-дородами (Э = К, С, Б1 и др.). В основу метода положены следующие запатентованные реакции восстановления до металла твердых галогенидов и оксидов:

3МС12+2КШ>3М+Ш+6НС1

МС12+СН4> М+СН3С1+НС1

МС12+81Н4>М+Б1Н3С1+НС1

МС12+СН381НС12>М+СН3С13Б1+НС1,

2М0+4СШС1281Н>2М+(СШС18Ш)20+

+

Рис. 7. Растровый микроскоп-анализатор]ХА-8600Б

Рис. 6. АСМ-снимок поверхности стали 3 с нанесенным защитным кремнийорганическим нанопокрытием

Условия синтеза гарантируют, что хемосорбция восстановителя количественно не превышает моно-слойную адсорбцию его молекул на металле. В зависимости от выбранного восстановителя возможно направленное регулирование удельной поверхности материала (1-120 м2/г), его термо- и химической стабильности, энергии связи электронов поверхностных атомов (табл. 1). Прирост массы полученных порошков на основе Ре, Си, N1 составляет при высокотемпературном окислении на воздухе 0,1-0,4 мкг/см2, что в десятки раз ниже, чем у промышленных жаростойких никельхромовых сплавов (7 мкг/см2).

Развиваются методы наноструктурного регулирования водоотталкивающих, защитных и антифрикционных свойств поверхности алюминия и стали, основанные на поверхностном модифицировании металла наноструктурами ПАВ и кремнийорганичес-ких соединений из растворов и газовой фазы и на стабилизирующем эффекте наноподслоя.

В результате исследований достигнуто. Усиление водоотталкивающих свойств А1-пигмента и А1, используемого в электронной промышленности, в 5-10 раз и вплоть до отрицательной адсорбции паров воды (Ат/т=-0,05% при РН20/РБ>1 за две недели экспозиции).

Возрастание коррозионной устойчивости стали в 4-100 раз в промышленной воздушной среде, содержащей примеси НС1, Б02, КС1 (40-200 мкг/м3),

Рис. 8. Растровый микроскоп-анализатор]БМ-6400ЬУ

Исходное соединение металла я уд- продукта, М2Д Прирост т за 100 ч. при 900°С, мкг/см2 Энергия связи 8І2 р, эВ

МС12 И 0,4 104,8

МО 57 0,4 105,7

СиО 12 0,3 103,8

РеО 1 0,1 102,4

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008

Рис. 9. Просвечивающий электронный микроскоп ЬЕЫ-2100

при влажности 50-70% (нанопокрытия внедрены в РУП ПО «Беларуськалий»).

Усиление антифрикционных свойств смазки на стали в 7-10 раз путем введения наноподслоя ПАВ (рис. 4-6).

Создано оригинальное научное направление «влияние природы восстановителя на структуру поверхности и химико-физические свойства нанострук-турированных металлов». Обнаружены эффекты:

увеличения энергии связи азота N18 в рентгенофотоэлектронных (РФЭ) спектрах и усиления антифрикционных свойств твердой поверхности при адсорбции на металле двух катионных ПАВ с сильно отличающимися по размеру углеводородными радикалами;

симбатной взаимосвязи водоотталкивающих и защитных свойств ряда традиционных лакокрасочных и наноструктурированных покрытий на стали;

пассивации по данным РФЭС поверхности стали, содержащей «триамоновый» подслой в защитном покрытии, в длительных натурных коррозийных испытаниях.

Разработки Горного института в области нанотехнологий защищены 11 авторскими свидетельствами 8 патентами и получили признание на крупнейших международных выставках и салонах инноваций и изобретений (выставка Б1РР-2006, Корея, Сеул 2006 — золотая медаль; VII Московский международный салон инноваций и инвестиций, Москва, 2007 — серебряная медаль; Петербургская технологическая ярмарка, Санкт-Петербург, 2007 — золотая медаль и диплом; Международная ярмарка инноваций «Эврика», Брюссель, 2008 — золотая медаль; Петербургская ярмарка нанотехнологий, 2008 — золотая медаль).

Высокая результативность научных исследований обеспечивается приборно-лабораторной базой мирового уровня и активным развитием нанотехнологического образования в университете. Создан современный аналитический центр с уникальным приборным осна-

щением, включающий электронные, растровые микроскопы-анализаторы ^А-8600Б (рис. 7) и ^М-6400ЦУ(+) (рис. 8), рентгенофлуоресцентный спектрометр ED2000, рентгеновский порошковый дифрактометр XRD6000 «Shimadzu»(+), закуплен просвечивающий электронный микроскоп ЬЕМ-2100 (рис. 9).

В рамках реализации ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации» предусматривается дополнительное оснащение научно-образовательного центра уникальным аналитическим оборудованием:

растровым электронным микроскопом с холоднополевой эмиссией,

атомно-силовым туннельным микроскопом,

рентгеновским волновым спектрометром,

системой с фокусированным ионным пучком на базе растрового электронного микроскопа.

В области развития нанотехнологического образования в университете действует научный семинар «Нанофизика и наноматериалы», изданы 3 учебных пособия и целый ряд научно-методических работ по проблемам преподавания нанотехнологий в техническом университете. Опубликовано более 80 статей. Ведется раздел «Наноструктурированные металлы и материалы» в журнале «Цветные металлы». Подготовлены 2 докторских и 5 кандидатских диссертаций по исследованию наноструктур и наноматериалов, работают 10 аспирантов.

На базе Научно-образовательного центра по направлению «нанотехнологиии»

читается курс лекций «Нанотехнология и наноматериалы» для студентов и аспирантов; имеется учебный план и программа дисциплины;

ежеквартально проводится научный семинар «Нанофизика и наноматериалы» для студентов, аспирантов и сотрудников;

создан документальный видео-ролик «Исследование наноструктур»;

в научно-образовательном процессе используются изданная монография «Кластеры, структуры и материалы наноразмера», разработаны учебнометодические материалы (5 учебных стендов, видео-ролик, 3 учебных пособия и 7 научно-методических работ) и созданы тематические выпуски по наноструктурированным металлам (научно-технический и производственный журнал «Цветные металлы», Москва);

в настоящее время начата подготовка кадров для наноиндустрии по специальностям «горные машины и оборудование», «металлургические машины и оборудование» (направление «технологические машины и оборудование»); планируется подключение к этой подготовке студентов специальностей «автоматизация технологических процессов и производств» и «оборудование нефтегазопереработки»;

курс «Нанотехнология и наноматериалы» на факультативной основе слушают 45 студентов горно-электромеханического, горного и металлургического факультетов.

Подготавливаются необходимые материалы для открытия специальностей и специализаций в области нанотехнологий для минерально-сырьевого комплекса.