Развитие научно-образовательного центра нанотехнологий Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета)

Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 1

05.00.00 Технические науки

УДК 001.895

В.Л.Трушко, М.А.Пашкевич

Трушко Владимир Леонидович — д-р техн. наук, профессор, проректор по научной работе СПГГИ (ТУ). E-mail: trushko@spmi.ru

Пашкевич Мария Анатольевна — д-р техн. наук, профессор, директор научнообразовательного центра коллективного пользования высокотехнологичным оборудованием «Центр коллективного пользования» СПГГИ (ТУ).

РАЗВИТИЕ НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ЦЕНТРА НАНОТЕХНОЛОГИЙ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО ИНСТИТУТА

Рассмотрены направления деятельности научно-образовательного центра нанотехнологий и приведены данные о приборно-лабораторной базе научных исследований. Представлены инновационные разработки синтеза новых наноматериалов и новые методы наноструктурного регулирования физико-химических свойств поверхностей металлов, реализованные в промышленном производстве. Описана модель развития нанотехнологического образования в университете.

Ключевые слова: нанотехнологии, научно-образовательный центр, инновации, науки о земле, перспективные материалы.

Vladimir L. Trushko, Maria A. Pashkevich DEVELOPMENT OF RESEARCH AND EDUCATIONAL CENTRE FOR NANOTECHNOLOGIES AT ST. PETERSBURG STATE MINING INSTITUTE

The paper reviews the main lines of activities at the Research and Educational Centre for Nanotechnologies and gives information on instruments and equipment available at its research laboratories. Innovative developments in synthesis of new nanomaterials are presented as well as new

methods of nanostructural adjustment of physical and chemical properties of metallic surfaces implemented at industrial scale. A development model for nanotechnological education in university is described.

Key words: nanotechnology, research and educational centre, innovation, geosciences, prospective materials.

Научно-образовательный центр нанотехнологий Санкт-Петербургского государственного горного института 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 науках 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 (содержащих полезные компоненты на микро-наноуровне);

создание принципиально новых материалов с необходимыми характеристиками (нанокерамики, искусственных кристаллов минералов с заданными свойствами - октаэдрических алмазов, аметистов, изумрудов и др.);

выявление возможностей направленного модифицирования физикохимических 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 развиваются методы получения 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).

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

Активная работа по направлениям деятельности научно-образовательного центра нанотехнологий позволила создать оригинальные научные направления и синтезировать целый ряд перспективных материалов и покрытий.

Разработан способ синтеза сверхактивных ионообменников с наноструктурой 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 Al(Ш) и Si(IV) на Ачинском глиноземном комбинате и Пикалевском объединении «Г линозем» (ОАО «СУАЛ»).

Усовершенствование способа получения наноглинозема из нефелинов основано на осуществлении карбонизации алюминатных растворов при пониженной температуре (10оС) в присутствии наноструктурирированной затравки Al(OН)3, предварительно обработанной при повышенной температуре

(85-90оС), что обеспечивает структурные изменения в системе «гиббсит-байерит-нордстрандит», повышение прочности индивидов и агломератов (рис. 1).

а

б

Рис. 1. Влияние наноструктурированной затравки: а) декомпозиционный глинозем;

б) карбонизационный глинозем

Полученные результаты используются при проектировании и строительстве нового завода КПНК «ФосАгро». Планируется освоить сухую схему переработки нефелинового концентрата (с экономией 30% топлива) и разработать технологию гидрохимического способа получения наноматериалов, что даст экономию примерно 20%. Разрабатывается технология получения новых продуктов на основе наноструктурированных гидрокарбоалюминатов (герметики, коагулянты, суперчистые оксиды и гидроксиды).

Другим перспективным направлением является разработка оригинальных способов получения наноструктурных порошков тугоплавких соединений металлотермическим восстановлением хлоридов:

тси^ь) + №  ^(Б) + ^а; тси + + 4Mg  тс + 4Mgа2.

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 синтеза на атомно-молекулярном уровне наноструктурных тугоплавких соединений, фул-леренов, металлокарбонов путем восстановления ассоциатов хлоридов титана, бора и углерода в режиме «горения» позволяет синтезировать новую гамму наноматериалов для использования их в высоких технологиях.

Синтезирован полуфабрикат популярного кермета Т1С/№ при использовании в качестве восстановителя сплава магний-никель (размеры частиц карбида ~100 нм), а также композиционные металлические материалы Л1-М§-Т1С (рис. 2).

Рис. 2. Синтез инновационных тугоплавких соединений титана

Разработана и опробована аппаратурно-технологическая схема процессов получения нанопорошков карбида, карбонитрида титана и композиционного порошка карбид титана-никель путем восстановления смеси перхлоридов титана и углерода. Осуществление синтеза указанных продуктов обеспечивает получение нанопорошков карбида титана (размером 40-60 нм) и карбонитридов титана (размером 30-60 нм).

Перспективность разработанных методов синтеза заключается в том, что в их основу положены элементы высокопроизводительной промышленной технологии производства губчатого титана. На ОАО «АВИСМА» (Березниковский титано-магниевый комбинат) опробовано производство наноструктурированно-го карбида титана. Использование наноструктурированных тугоплавких соединений в электролизерах позволит увеличить срок службы их на 50%, существенно снизить стоимость алюминия и обеспечить экологическую безопасность в районе завода.

Методы наноструктурного регулирования химико-физических свойств поверхности металлов развиваются на основе твердотельного гидридного синтеза металлических материалов на основе N1, ^, Zn, Fe.

Синтез представляет восстановление в открытой проточной системе и по заданной программе твердых соединений металлов летучими термостойкими элементоводородами (3=К, ^ Si и др.). В основу метода положены следующие запатентованные реакции восстановления до металла твёрдых галогенидов и оксидов:

3Ма2+2:Ш3^3М+^+6НС1

МО^ОТ^ M+CH3C1+HC1

MC12+SiH4^M+SiH3C1+HC1

MC12+CH3SiHC12^M+CH3C13Si+HC1;

2MO+4CHзCl2SiH^2M+

Условия синтеза гарантируют, что хемосорбция восстановителя количественно не превышает монослойную адсорбцию его молекул на металле. В зависимости от выбранного восстановителя возможно направленное регулировал

ние удельной поверхности материала (1-120 м /г), его термо- и химической стабильности, энергии связи электронов поверхностных атомов. Прирост массы полученных порошков на основе Fe, ^, М составляет при высокотемператур-

л

ном окислении на воздухе 0,1-0,4 мкг/см , что в десятки раз ниже, чем у про-

л

мышленных жаростойких никельхромовых сплавов (7 мкг/см ).

Разработаны методы наноструктурного регулирования водоотталкивающих, защитных и антифрикционных свойств поверхности алюминия и стали, основанные на поверхностном модифицировании металла наноструктурами ПАВ и кремнийорганических соединений из растворов и газовой фазы и на стабилизирующем эффекте наноподслоя, которые позволяют

усилить водоотталкивающие свойства Л1-пигмента и Л1, используемого в электронной промышленности, в 5-10 раз и вплоть до отрицательной адсорбции паров воды (Аш/ш= - 0,05% при Р^О/РЗ^! за две недели экспозиции);

повысить коррозионную устойчивость стали в 4-100 раз в промышленной

-5

воздушной среде, содержащей примеси Ж1, ЗО2, КО (40-200 мкг/м ), при влажности 50-70% (нанопокрытия внедрены в РУП ПО «Беларуськалий»);

увеличить антифрикционные свойства смазки на стали в 7-10 раз путем введения наноподслоя ПАВ.

Разрабатывается новое оригинальное научное направление «влияние природы восстановителя на структуру поверхности и химико-физические свойства наноструктурированных металлов».

В ходе исследований обнаружены эффекты

увеличения энергии связи азота N18 в рентгенофотоэлектронных (РФ3) 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 РФ3С поверхности стали, содержащей «триамо-новый» подслой в защитном покрытии, в длительных натурных коррозийных испытаниях.

Разработки университета защищены 11 авторскими свидетельствами и 8 патентами и получили признание на крупнейших международных выставках и салонах инноваций и изобретений (выставка SIFF-2006, Корея, г. Сеул, 2006 г. - золотая медаль; VII Московский международный салон инноваций и инвестиций, г. Москва, 2007г. - серебряная медаль; Петербургская технологическая ярмарка, г. Санкт-Петербург, 2007 г. - золотая медаль и диплом; Международная ярмарка инноваций «Эврика», г. Брюссель, 2008 г. - золотая медаль; Петербургская ярмарка нанотехнологий, г. Санкт-Петербург, 2008 г. - золотая медаль) (рис. 3).

Высокая результативность научных исследований обеспечивается современной приборно-лабораторной базой мирового уровня и активным развитием

Рис. 3. Экспозиция университета на международной выставке

нанотехнологического образования в университете. В рамках реализации Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы» создан научно-образовательный центр нанотехнологий, оснащенный уникальным аналитическим оборудованием (рис. 4-19).

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

На базе Научно-образовательного центра по направлению «Нанотехнологии»:

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

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

создан документальный видеоролик «Исследование наноструктур»; развивается международное сотрудничество в области нанотехнологий с университетами Германии;

Рис. 4. Рентген-дифрактометр XRD-7000S

Рис. 5. Многолучевая система JIB-4500, оснащенная электронной и ионной пушками с безазотным энергодисперсионным спектрометром INC A Energy 350 XT, и растровый электронный микроскоп JSM-6460 LV с энергодисперсионным спектрометром

Рис. 6. Многолучевая система JIB-4500

Рис. 7. Растровый электронный микроскоп JEM-2100 с энергодисперсионным спектрометром

Рис. 8. Лазерный анализатор распределения размеров частиц с вискозиметром от 1 нм до 6 мкм НопЬа LB 550V

Рис. 9. Сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения JSPM-5400

Рис. 10. Термоанализатор SDT Q600 Рис. 11. Растровый микроанализатор Рис. 12. Атомно-абсорбционный спектрометр

ЖА-86008

Рис. 13 . Ренгеновские дифрактометры XRD-7000S и XRD-6000 Рис. 1 4. Линия пробоподготовки

Рис. 17. Микроволновая система разложения Рис. 18. Климатическая камера

Рис. 16. Последовательный волнодисперсионный рентгенофлуоресцентный спектрометр ХЯБ-1800

Рис.19. Атомно-абсорбционный спектометр АА6300

используются в научно-образовательном процессе монография «Кластеры, структуры и материалы наноразмера», разработаны учебно-методические материалы (пять учебных стендов, видео-ролик, три учебных пособия и семь научно-методических работ) и созданы тематические выпуски по нанострукту-рированным металлам (научно-технический и производственный журнал «Цветные металлы», Москва);

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»;

преподается курс «Нанотехнология и наноматериалы» на факультативной основе (слушают студенты горно-электромеханического, горного и металлургического факультетов).