«Создание технологических основ получения и промышленного производства наноразмерных и наноструктурных материалов и продуктов на их основе»

«Создание технологических основ получения и промышленного производства наноразмерных и наноструктурных материалов и продуктов на их основе»Исполнитель: Томский научный центр Сибирского отделения Российской Академии наук http://www.tsc.ru/ Руководитель проекта: Псахье Сергей Григорьевич, д.ф.-м.н., профессорАдрес: 634021, г. Томск, пр. Академический 2/1Телефон: (3822) 49-18-81Факс: (3822) 49-25-76E-mail: [email protected] Описание проекта/технологии Название «Создание технологических основ получения и промышленного производства наноразмерных и наноструктурных материалов и продуктов на их основе» Аннотация (описание разработки/технологии) За последние пять лет объемы государственного финансирования исследований и разработок в области нанотехнологии в разных странах увеличились примерно в 5 раз. Сегодня национальные программы по развитию нанотехнологий приняты уже более чем в 30 странах мира. С новейшими открытиями в этой области связывается прогресс в самых разнообразных областях промышленной индустрии: биотехнологии, микроэлектроники, химической промышленности, машиностроении, авиакосмической технике, и т. д. В соответствии с существующими прогнозами, мировой объем производства в области нанотехнологий через 10–15 лет должен превысить 1 трлн. долларов. Ожидаемое в 2005-2010 годах развитие мировой наноиндустрии будет основано на создании эффективных и конкурентоспособных технологий получения наноматериалов и продукции на их основе в промышленных масштабах в следующих ключевых направлениях: наноразмерные материалы – порошки, волокна, трубки, наноструктурные пленки и покрытия, наноструктурные объемные материалы.Организации томского научно-образовательного комплекса имеют приоритет по ряду этих направлений. В рамках проекта предполагается увеличение производства нанопорошков, разработки и вывода на рынок новых продуктов: нанотрубок, нановолокон и новых фильтровальных материалов для фильтров высокой очистки жидкостей и газов, наноструктурных сорбентов, объемных биокомпозиционных материалов на основе наноструктурного / титана и керамического покрытия для медицины, нанокомпозиционных материалов для автотранспорта и машиностроения, противоизносных металлоплакирующих смазочных составов, кислородных датчиков для определения содержания кислорода в расплавах металлов, композита из никелида титана с наноструктурными поверхностными слоями, оборудования и технологий для нанесения наноструктурных покрытий.Для реализации проекта необходимо финансирование в размере 50 млн. $. ^ Существующая проблемная ситуация(по направлению разработки) Широкое освоение в промышленности новых технологий получения конструкционных металлических и керамических композитов с нанофазной и нанокристаллической структурой даст долгосрочный энерго- и ресурсосберегающий эффект, позволит повысить экономическую эффективность производства, ресурс работы ответственных деталей и узлов технологического оборудования в 1,5 – 2 раза по сравнению с металлическими изделиями аналогичного назначения. Применение медицинских имплантатов нового поколения на основе биокомпозиционного материала на основе наноструктурного / титана и керамического покрытия позволит значительно снизить расходы на лечение травм и заболеваний, значительно увеличить количество пациентов, получающих специализированную помощь за счет уменьшения сроков лечения в 1,5-2 раза. ^ Технологическая сфера  Электроника и оптоэлектроника  Электроника, Х Высокие технологии,  Информация,  Связь,  Оптоэлектроника  Механика и аэронавтика  Механика,  Аэронавтика,  Астронавтика,  Автоматика,  Электричество, X Транспорт Х Материалы и химическое производство  Химическая промышленность,  Новые материалы Х Биотехнологии и Фармацевтическая промышленность Х Биотехнологии, Х Медицина, Х Фармакология  Поддерживающее производство  Энергия,  Ресурсы,  Технологии защиты окружающей среды, Х Безопасность и здоровье  Другое (указать) ^ Основные характеристики разработки/технологии Назначение/описание (сфера применения) Наноразмерные материалы – нанопорошки металлов для твердотопливных ракетных ускорителей, пиротехники, сырьё для новых технологических процессов в химической промышленности, составы для низкотемпературной пайки для электронной промышленности, солнечная и водородная энергетика, присадки к моторным маслам для легкового и грузового автотранспорта, присадки к смазкам для узлов трения насосов, гидроагрегатов и т.д., сырье для производства нановолокон, абразивные микропорошки, порошковые легирующие материалы, компоненты керамики, сорбенты для извлечения из воды токсичных металлов (уран, мышьяк, свинец, кадмий и т. д.), хитозан, аир, пектин и др. БАВ с размером частиц в десятки и сотни микрон^ Объемные наноструктурные материалы – имплантаты для ортопедии и травматологии, крепежные центра для электрохимической обработки лопаток ГТД, разделительные шайбы для погружных насосов применяемых при нефтедобыче, твердый электролит для датчиков определения содержания кислорода в расплавах металлов для металлургии, нанокерамические лопатки для пусковых турбин авиационных двигателей, подшипники качения для ГТД, сопла гидромониторов для угледобычи, заготовки для биоимплантантов для ортопедии и травматологии, носители лекарств.^ Наноструктурные покрытия и пленки – участки упрочнения режущего инструмента, деталей машин и механизмов технологического оборудования для машиностроения, авиакосмической индустрии. ^ Технические характеристики Наноразмерные материалы: Нанопорошки металлов и химических соединений – средний размер частиц 30-100 нм, порошки микрокапсулированы деагломерированы и фракционированы, содержание основной фазы 99,9 %.; Абразивные субмикронные и порошки (нитриды, карбиды, оксиды), легирующие порошковые материалы, компоненты керамики – размер частиц 97 = 0,2 мкм; 97 = 0,3 мкм; 97 = 0,5 мкм; 97 = 0,7 мкм; 97 = 1,0 мкм и т.д.; Биологически активные вещества и лекарственные субстанции – размер частиц в микронном диапазоне, порошки деагломерированы и микро-капсулированы; Металлосодержащие присадки к смазочным материалам на основе нанопорошков мягких металлов – размер наночастиц 150 – 200 нм; Нановолокна для производства высокопрочных композиционных материалов – оксигидроксидные фазы алюминия, диаметр 5 нм, длина 100-200 нм, удельная поверхность 300-400 м2/г ;^ Объемные наноструктурные материалы: Имплантаты для ортопедии и травматологии из биокомпозиционного материала на основе наноструктурного титана – соотношение Ca/P – 0,45, адгезионная прочность >4 МПа, толщина покрытия – 80 мкм; Конструкционная керамика на основе диоксида циркония и изделия из нее – ключевые характеристиками предела прочности на изгиб 800-1200 МПа при вязкости разрушения до 20 МПа*м½ и плотности 5,8-6,0 г/см 3; Крепежные центра для электрохимической обработки из конструкционной нанокерамики – крепежный центр из нанокерамики весит около 50 гр.; Разделительная шайба из конструкционной нанокерамики для погружных насосов – масса 200 гр.; Твердый электролит из конструкционной нанокерамики для датчиков определения содержания кислорода в расплавах металлов – изделие весом около 1 гр.; Нанокерамические лопатки для пусковых турбин авиационных двигателей – рабочая температура нанокерамических лопаток ГТД ожидается, составит, до 2000С. Вес изделия – около 100гр.;^ Наноструктурные покрытия и пленки:Оборудование для нанесения наноструктурных поверхностных слоев на режущий инструмент, детали машин и механизмов. Сравнениес существующими аналогами ^ Наноразмерные материалы: Нанопорошки металлов и химических соединений – ЭВП-порошки удобны в обращении – менее пирофорны или непирофорны в сравнении с порошками, полученными другими методами. Абразивные субмикронные и порошки (нитриды, карбиды, оксиды), легирующие порошковые материалы, компоненты керамики – увеличение производительности, ликвидировати, отсутствие проблем, связанных с утилизацией токсичных отходов и вредностью производства; Биологически активные вещества и лекарственные субстанции – высокая чистота продукта, высокая доля выхода экстрагируемых веществ; Металлосодержащие присадки к смазочным материалам на основе нанопорошков мягких металлов – обеспечивают снижение износа двигателя в 1,5 раза, расхода масла до 20%, топлива до 5%, дымности в 1,4-1,6 раза и токсичности выхлопных газов на 20%-30%, снижение вибрации подшипников на 25 – 30 % и увеличение ресурса работы подшипников в 1,5 – 2 раза; Нановолокна для производства высокопрочных композиционных материалов – увеличение прочностных характеристик термопластов на 200 – 300 % относительно базового полимера за счет введения керамических нановолокон;^ Объемные наноструктурные материалы: Имплантаты для ортопедии и травматологии из биокомпозиционного материала на основе наноструктурного титана – известные медицинские имплантаты из никелида титана содержат в поверхностных слоях вредный для организма никель в концентрациях не менее 10 ат.%. Конструкционная керамика на основе диоксида циркония и изделия из нее – ведущие мировые поставщики нанокерамических материалов на рынок выпускают конструкционную нанокерамику с вязкостью разрушения 8-10 МПа*м1/2, плотностью 5,7-6,0 г/см3. При этом ключевой показатель – предел прочности на изгиб составляет от 651 МПа до 800-1100 МПа; Крепежные центра для электрохимической обработки из конструкционной нанокерамики – твердостью не менее чем в 2 раза выше, чем тантала и в 2-3 раза более высокий ресурс работы центров и сохранение прецизионной точности при электрохимической обработке; Разделительная шайба из конструкционной нанокерамики для погружных насосов – коррозионная и абразивная стойкость нанокерамики в 3-5 раз выше, чем у металлических и текстолитовых разделительных шайб; Твердый электролит из конструкционной нанокерамики для датчиков определения содержания кислорода в расплавах металлов – более высокую однородность структуры, высокая стабильность результатов измерений; Нанокерамические лопатки для пусковых турбин авиационных двигателей – вязкоупругие и прочностные свойства нанокерамики позволят обеспечить срок службы не ниже срока службы титановых изделий, однако при этом будет достигнута более высокая рабочая температура; Сопла гидромониторов из конструкционной нанокерамики – высокая износостойкость обеспечивает в 1,5-2 раза более высокий ресурс работы по сравнению с изделиями из твердых сплавов; Заготовки для биоимплантантов из пористой нанокерамики – высокая прочность соединения с костной тканью, не токсичен, лишен хрупкости, устойчив к знакопеременным нагрузкам, обладает высокой износоустойчивостью, характер пористости близок к поровой структуре костной ткани, а механические свойства идентичны свойствам натуральной кости.^ Наноструктурные покрытия и пленки:Оборудование для нанесения наноструктурных поверхностных слоев на режущий инструмент, детали машин и механизмов – технологии модификации и упрочнения инструмента, деталей машин и механизмов уникальны и позволяют добиться в разы более высоких прочностных свойств и ресурса работы изделий по сравнению с традиционными технологиями. ^ Конкурентные преимущества (экономические) Наноразмерные материалы: Нанопорошки металлов и химических соединений – низкая себестоимость цена 60 – 100 $ за 1 кг. при цене на международном рынке от 200 до 1000 $/кг; Биологически активные вещества и лекарственные субстанции – цена порошков лекарственных субстанций составит 15-50 $/кг., при стоимости аналога 20-150 $/кг. Металлосодержащие присадки к смазочным материалам на основе нанопорошков мягких металлов – цена 2,3 $ за 200 мл присадки (аналог от 1,6 до 50 $. за упаковку 250 мл.); Нановолокна для производства высокопрочных композиционных материалов – 200 $ за 1 кг. Объемные наноструктурные материалы: Имплантаты для ортопедии и травматологии из биокомпозиционного материала на основе наноструктурного титана; Конструкционная керамика на основе диоксида циркония и изделия из нее – дешевле в 8-10 раз в сравнении с зарубежными аналогами; Крепежные центра для электрохимической обработки из конструкционной нанокерамики – цена единицы изделия составляет 3,3 $/шт. Цена танталовых центров на порядок выше цены предлагаемых материалов. Разделительная шайба из конструкционной нанокерамики для погружных насосов – цена – 3,3 $/шт. (значительно меньше затрат на ее замену); Твердый электролит из конструкционной нанокерамики для датчиков определения содержания кислорода в расплавах металлов – цена керамической части 0,8 $/шт. Аналог стоит не менее 1 $/шт; Нанокерамические лопатки для пусковых турбин авиационных двигателей – цена лопатки из нанокерамики 100 $/шт. при аналогичной цене стандартной титановой пусковой лопатки – около 100$%; Сопла гидромониторов из конструкционной нанокерамики – цена изделий из нанокерамики 200$/шт; Заготовки для биоимплантантов из пористой нанокерамики – цена 1-2 тыс. $/шт., а изготавливаемые из титановых сплавов эндопротезы стоят на рынке от 1 до 3 тыс. $;^ Наноструктурные покрытия и пленки:Оборудование для нанесения наноструктурных поверхностных слоев на режущий инструмент, детали машин и механизмов – цена установки – от 150 тыс. $. Цена аналогов – от 300 тыс. $. ^ Существенные признаки новизны (инновационный потенциал) Наноразмерные материалы: Нанопорошки металлов и химических соединений – чистота продукта связана только с чистотой исходного металла и инертной атмосферы, в который проводиться процесс; Абразивные субмикронные и порошки (нитриды, карбиды, оксиды), легирующие порошковые материалы, компоненты керамики – увеличение класса точности; Биологически активные вещества и лекарственные субстанции – доведение биологического материала до размеров наночастиц, что позволяет увеличь выход активных веществ; Нановолокна для производства высокопрочных композиционных материалов – полная совместимость керамических нановолокон с полимерной матрицей. Нанокерамические лопатки для пусковых турбин авиационных двигателей – увеличение рабочей температуры до 2000 С.Объемные наноструктурные материалы: Имплантаты для ортопедии и травматологии из биокомпозиционного материала на основе наноструктурного титана – высокая биосовметимость; Конструкционная керамика на основе диоксида циркония и изделия из нее – расширение области применения материала в автомобилестроении, металлургии, авиакосмической индустрии; Заготовки для биоимплантантов из пористой нанокерамики – высокая биохимическая совместимость.^ Наноструктурные покрытия и пленки:Оборудование для нанесения наноструктурных поверхностных слоев на режущий инструмент, детали машин и механизмов – использование уникальной экологически чистой технологии модификации и упрочнения инструмента, деталей машин и механизмов. Рыночный потенциал (для разработок/ технологий двойного назначения другие возможные области применения и потенциальные потребители) Предприятия авиакосмической, химической, фармацевтической, пищевой промышленности, машиностроения, металлургии, медицины, транспорта. ^ Оценка рынка, объем платежеспособного спроса и его география Потребности мирового рынка в нанопродуктах, составят более чем 10,2 млрд. долл. в год.^ Наноразмерные материалы и продукты на их основе: При стоимости 200 $., ежегодный спрос зарубежных компаний на нанопрошки металлов более 10 т. ежегодно. Только для для Argonide Corp., США в течение двух лет мы должны произвести 500 кг нанопорошков металлов на сумму 100 000 $. А для приготовления присадок в Китае, необходимо произвести и поставить около 3-х тонн нанопорошков ежегодно. Компания Umicor (Бельгия) предполагает за пять лет приобрести в Томске до 10 тонн нанопорошка цинка. Для обеспечения спроса предприятий Сибирского региона в металлоплакирующих присадках необходимо не менее 750 кг нанопорошков мягких металлов ежегодно. Объем реализации керамических субмикронных порошков составит не менее 175 т. /год. Платежеспособный спрос на присадки к моторным маслам только в Западно-Сибирском регионе достигнет 10000 л (50000 флаконов). ^ Объемные наноструктурные материалы: По данным BCC Market Research (2002), только рынок США по функциональным, конструкционным керамическим изделиям сложной формы в будет составлять в 2006 г. – US$ 3,059 млрд. (среднегодовая скорость роста 5.3%). Общий объем рынка нанокерамических материалов по данным Freedonia составляет не менее US$ 7,9 млрд. в год.^ Наноструктурные покрытия и пленки: Емкость мирового рынка услуг по нанесению высокопрочных износостойких покрытий – $ 1.2 млрд. USD, при ежегодном росте 10-15%, емкость мирового рынка оборудования по нанесению таких покрытий – $3.9 млрд. USD, при ежегодном росте 11%. По России рынок оборудования по нанесению наноструктурных покрытий на инструмент и детали машин составляет более 1000 единиц. Цена комплекта оборудования для нанесения наноструктурных покрытий и упрочнения режущего инструмента составляет 14,5 млн.руб. ^ Текущая стадия развития разработки/технологии  НИР Х макет, опытный образец  промежуточный НИОКР, дополнительные исследования Х промышленный образец  ОКР, проектно-сметная документация  товарная продукция ^ Стадия коммерциализации  проведены маркетинговые исследования Х уже на рынке России  наличие бизнес- плана Х зарубежный рынок ^ Режим охраны и порядок использования интеллектуальной собственности (ИС)  в режиме know-how  соглашение о распределении прав на объекты ИС  подана заявка на патенты, но патенты еще не получены  имеется лицензионное соглашение Х патенты получены  другое (указать) Комментарии (даты и номера имеющихся документов/патентов, патентообладатель) Получено более трех десятков патентов, в том числе международные. ^ Владелец прав на объекты интеллектуальной собственности Институт физики прочности и материаловедения СО РАНИнститут сильноточной электроники СО РАН; Томский государственный университет; Томский политехнический университет ^ Срок выполнения работ, необходимых для доведения разработки до коммерциализации, результаты – этапы работ 1. Завершение НИОКР и ОКР. Проведение маркетинговых исследований рынка западных стран и рынка азиатско-тихоокеанского бассейна.2. Получение опытных образцов оборудования, отработка технологий. Подготовка бизнес-планов производства оборудования и оказания услуг. Поиск инвесторов и промышленных партнеров.3. Получение промышленных образцов. Подготовка промышленного выпуска оборудования и полномасшабного оказания услуг. Создание совместных предприятий с участием инвесторов и промышленного партнера.4. Организация промышленного производства и сбыта продукции. – срок выполнения работ 2006-2009 гг. – ожидаемые результаты Организация промышленного производства наноматериалов и изделий из них, и увеличение в течение 5 лет объемы производства высокотехнологичной продукции. Получение чистой прибыли концу 2009 г. около 50 млн. $ в год. Необходимые финансовые ресурсы для выполнения проекта (в долларах США) ^ Общая стоимость проекта По согласованию (около $10 млн) Источники финансовых средств По согласованию 1. Бюджетные средства 2. Средства заказчика 3. Собственные средства 4. Другое (указать) ^ Направления расходования финансовых средств (тыс. руб.) – оборудование – материалы – оплата труда – прочие расходы (указать) ^ Потенциальный промышленный партнер -полное наименование Промышленный партнер должен организовать продажи материалов, оборудования и технологий, оказать содействие в проведении маркетинга организаций и предприятий, выпускающих аналогичную продукцию или имеющих сходный технологический цикл. ^ Организации – соисполнители – наименование Институт сильноточной электроники СО РАН; Томский государственный университет; Томский политехнический университет; ^ Необходимая помощь от возможного партнера – Поиск инвесторов. – Поиск потенциальных промышленных партнеров для организации совместного производства. – Помощь в установлении контактов с крупными потенциальными зарубежными потребителями нанопорошков. Помощь промышленного партнера: – Помощь в организации продаж материалов, оборудования и технологий. – Помощь в проведении маркетинга организаций и предприятий, выпускающих аналогичную продукцию или имеющих сходный технологический цикл.