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. *****/

Руководитель проекта: , д. ф.-м. н., профессор

Адрес: г. Томск, пр. Академический 2/1

Телефон: (38

Факс: (38

E-mail: *****@

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 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 d97 = 0,2 мкм; d97 = 0,3 мкм; d97 = 0,5 мкм; d97 = 0,7 мкм; d97 = 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 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.
Сравнение с 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 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$ 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 $. А для приготовления присадок в Китае, необходимо произвести и поставить около 3-х тонн нанопорошков ежегодно. Компания Umicor (Бельгия) предполагает за пять лет приобрести в Томске до 10 тонн нанопорошка цинка. Для обеспечения спроса предприятий Сибирского региона в металлоплакирующих присадках необходимо не менее 750 кг нанопорошков мягких металлов ежегодно. Объем реализации керамических субмикронных порошков составит не менее 175 т. /год. Платежеспособный спрос на присадки к моторным маслам только в Западно-Сибирском регионе достигнет 10000 л (50000 флаконов). Объемные наноструктурные материалы: По данным BCC Market Research (2002), только рынок США по функциональным, конструкционным керамическим изделиям сложной формы в будет составлять в 2006 г. - US$ 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 РАН Институт 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	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.