Порошковые нанотехнологии
/Rusmet.ru, Ольга Фомина/ Использование нанопорошков в порошковой металлургии – весьма перспективное, но пока еще мало изученное направление. Сегодня производство нанопорошков в промышленных масштабах сдерживает необходимость использования достаточно дорогостоящего оборудования. Однако наука не стоит на месте: как считают эксперты, уже в самом ближайшем будущем нанопорошковая металлургия станет достаточно распространенным направлением промышленности.
История открытия
Практика изготовления металлических порошков, получаемых восстановлением оксидов металла углеродом, известна еще с глубокой древности. Например, порошковое золото применяли для декоративных целей еще за 3000-3500 лет до нашей эры. Железные орудия, найденные при раскопках в Египте и Вавилоне, были изготовлены с использованием отдельных методов порошковой металлургии.
Сегодня порошковая металлургия – достаточно изученная область техники, охватывающая совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них без расплавления основного компонента. Методы порошковой металлургии позволяют изготавливать изделия из материалов, получение которых другими способами невозможно или экономически не выгодно. С помощью порошковой металлургии получают тугоплавкие и твердые материалы и сплавы, пористые, фрикционные и другие материалы и изделия из них.
В настоящее время в порошковой металлургии все чаще находят свое применение нанопорошки, используемые в качестве наполнителей для новых материалов и композитов, компонентов многих покрытий, катализаторов, материалов для электроники. Их использование предполагает ряд преимуществ, среди которых: спекание (термическая обработка) при более низких температурах, равномерное распределение фаз, обеспечение более высокой удельной плотности, ударной прочности и твердости. А также высокая дисперсность структуры и получение металлокомпозитных структур, несовместимых при использовании других технологий.
В промышленных масштабах производство большинства видов нанопорошков началось лишь около 10 лет тому назад. До этого нанопорошки в небольших количествах выпускали лишь научно-исследовательские институты и университеты с целью применения их в дальнейших исследованиях.
Виды нанопорошков
В настоящее время доступен достаточно широкий ассортимент нанопорошков. Все их можно условно разделить на 4 группы: оксиды металлов (составляют около 80% всех производимых нанопрошоков), сложные оксиды, порошки чистых металлов и смеси.
Среди оксидов металлов наиболее распространен кремнезем, которого выпускается больше всего в мире – около 50% всего производства нанопорошоков или 25 тыс. т в год. Глинозем составляет приблизительно 20% годового объема производства нанопорошков, его выпускается около 9 тыс. т в год, наконец, третье место занимает диоксид титана (титания), на долю которого приходится около 10% мирового производства (5 тыс. т в год).
Порошки чистых металлов составляют сегодня достаточно значительную и все возрастающую долю всего объема производства нанопорошков. Однако промышленное применение многих из них нуждается в дальнейшем развитии. Затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты намного выше, чем на производство оксидов металлов. По объему производства в мире лидируют пять порошков – железа, алюминия, меди, никеля и титана. Их мировое годовое производство в совокупности составляет чуть больше 9 тыс. т в год.
Сложные оксиды и смеси производятся в настоящее время в ограниченном количестве. Смеси более разнообразны, хотя они в высшей степени специализированы, и объем их производства небольшой по сравнению с оксидами металлов и порошками чистых металлов (всего около 3 тыс. т в год). Однако ожидается, что их использование возрастет в долгосрочной перспективе.
Ведущие производители и потребители
Основные мировые производители нанопорошков сосредоточены в США (более половины), однако большинство из них представляют собой небольшие специализированные компании или научно-исследовательские институты. На американские компании приходится около двух третей всего мирового производства. Большую часть остального объема нанопорошков выпускают Европейский Союз и Азия.
Американская нанопорошковая отрасль отличается наличием высокой поддержки правительства и заинтересованности местных потребителей. Здесь наряду с коммерческим производством нанопорошков не прекращаются и научно исследовательские работы в данном направлении. В США производятся практически все существующие типы нанопорошков. США полностью удовлетворяют собственные потребности в нанопорошках, а также обеспечивают Европу и, в меньшей степени, Азию нанопорошками, необходимыми для промышленности.
В странах Европейского Союза нет крупных месторождений сырья для производства нанопорошков, однако пока это не мешает росту их выпуска. Наиболее продвинутыми считаются Германия и Англия, где интенсивно ведутся научные исследования, работают хорошо финансируемые лаборатории, имеется много высококвалифицированных исследователей. Немецкие производители изготавливают несколько типов высококачественных порошков для биотехнологий.
Азиатских производителей не много, однако они в большинстве своем достаточно крупные. Специализируясь на производстве всего нескольких видов нанопорошков, они не только удовлетворяют внутренний спрос, но и поставляют продукт в соседние страны, конкурируя при этом с американскими поставщиками. Так, в Корее есть большое число фирм, выпускающих продукты, подобные американским. В Японии головные компании зачастую создают дочерние предприятия по производству нанопорошков для внутреннего использования. В Китае же строятся в основном большие региональные заводы с мощным производственным потенциалом. Благодаря наличию значительных залежей редкоземельных металлов, а также крупным внутренним инвестициям и мощному потенциалу трудовых ресурсов в азиатских странах, в частности в Китае, данный регион уже скоро может стать серьезным игроком на рынке нанопорошковой металлургии.
В странах СНГ наибольшего развития нанопорошковая металлургия получила в России. Наиболее значимым здесь является научно-производственное предприятие «Высокодисперсные металлические порошки» («ВМП»), г. Екатеринбург, образованное в 1990 году по инициативе Государственного комитета по Науке и Технике СССР как потенциально инновационное учреждение. К настоящему времени «ВМП» сумело создать промышленные технологии и производство металлических нанопорошков (цинка, меди и бронзы) и уникальных продуктов на их основе (антикоррозионные композиции).
Сегодня более 2000 промышленных предприятий России, СНГ и стран дальнего зарубежья используют цинкнаполненные покрытия ВМП для защиты металлоконструкций в условиях всех климатических зон. В частности, материалами «ВМП» защищены сотни резервуаров компаний «Роснефть», «Газпромнефть», «ЛУКОЙЛ», ТНК-ВР, «Транснефть» и других. Ими окрашены, в частности, металлоконструкции пунктов сбора нефти Южно-Шапкинского и Южно-Хыльчуюского нефтяных месторождений, оборудование компрессорных станций в системе «Газпрома».
