Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка экологически безопасных методов создания интеллектуальных материалов, не содержащих свинец, на основе наноструктурированных сред с высоким уровнем диссипативных характеристик, анизотропии, чувствительности и температурной стабильности пьезодиэлектрических коэффициентов для радиопоглощающих устройств, ультразвуковой техники, медицинской диагностики.

Докладчик: Резниченко Лариса Андреевна

Должность: зав. отделом

Цель проекта:
Основу подавляющего большинства серийно освоенных мировой практикой функциональных материалов пьезотехнической направленности составляют интеллектуальные материалы, способные преобразовывать один вид энергии в другой и, как следствие, контролируемым образом изменять свойства в ответ на изменения окружающей среды. Среди них приоритетны свинецсодержащие композиции на основе системы ЦТС, наиболее распространенная технология которых включает твердофазный синтез и спекание при высоких температурах. Все операции технологического процесса неизбежно связаны с загрязнением окружающей среды и вредным воздействием на живые организмы: работы с пылящими порошковыми веществами при приготовлении шихт (подготовка сырьевых материалов, взвешивание, брикетирование порошков), термическая обработка шихт в процессе синтеза и спекания, сопровождающаяся испарением летучих (свинцовых) компонентов; механическая обработка керамики; сброс сливных вод от приготовления шихт и помола синтезированных продуктов. В последнее время возросли усилия международных организаций, направленные на вытеснение токсичных веществ из областей народного хозяйства. Так, Евросоюзом в 2003 году приняты Директивы «Об отходах электрического и электронного оборудования» (WEEE) и «Об ограничении использования ряда опасных веществ в электрическом и электронном оборудовании» (RoHS), практически запрещающие использование свинецсодержащих композиций в реальном секторе экономики. Сделанный в последнее время акцент на «зелёные» технологии и соответствующая законодательная база стимулируют исключение токсичных элементов из электротехнических отраслей (прежде всего, пьезотехники, микро, - наноэлектроники, спинтроники, медицины) и, как следствие, благоприятствуют «эко»-дизайну новых интеллектуальных материалов. Последний включает в себя широкомасштабный экологический и энергосберегающий («экономный») синтез объектов, защиту работников, связанных с пьезотехнологиями, а также экологически эффективное управление промышленным производством, в том числе, рисками оказания вредного воздействия на окружающую среду при создании, применении и утилизации пьезопродуктов. В то время как WEEE регулирует утилизацию, повторное использование и переработку названного оборудования, RoHS определяет необходимые условия, обеспечивающие безопасность окружающей среды и здоровья человека при эксплуатации электронных компонентов, содержащих токсичные вещества, прежде всего, свинец. Он определен как основной носитель угрозы экологической безопасности при переработке, утилизации и просто неправильном использовании электронного оборудования. Таким образом, в странах ЕС с июня 2006 г. не может выпускаться продукция, содержащая даже минимальные количества этого вещества. Но, несмотря на значительные усилия, предпринятые за последние 10 лет, проблема создания альтернативных сред практически остается нерешённой, в результате чего на мировом рынке несвинецсодержащая пьезотехническая продукция до настоящего времени отсутствует. Для создания подобных материалов требуется тщательная оптимизация технологических режимов на всех стадиях их изготовления. Таким образом, целью проекта стала разработка интеллектуальных материалов, не содержащих свинец, и экологически безопасных методов их создания на основе наноструктурированных сред с - высокими диссипативными характеристиками в частотном диапазоне (5,6÷8,3) ГГц; - температурной стабильностью относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов и коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний при низкой механической добротности; - анизотропией пьезоэлектрических коэффициентов при ультранизкой диэлектрической проницаемости; - пьезочувствительностью и широким спектром показателей механической добротности при средних значениях относительной диэлектрической проницаемости; - пьезооткликами в средах с магнитным упорядочением для радиопоглощающих устройств, устройств записи, хранения, передачи и защиты информации, ультразвуковой техники, медицинской диагностики.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта будут:
– разработана система базовых принципов моделирования и атомарного конструирования не имеющих прямых аналогов в мировой практике интеллектуальных материалов, не содержащих свинец, с диссипативными, пьезодиэлектрическими, сегнетоэластическими, теплофизическими, магнитными свойствами и их сочетаниями, адекватными или превосходящими таковые в свинецсодержащих композициях;
– разработаны концепция и методология поиска целевых наноматериалов;
– теоретически и экспериментально установлены закономерности фазообразования и формирования макрооткликов в выбранных для исследования системах твёрдых растворов с особыми электрическими и магнитными свойствами;
– разработана термодинамическая (кристаллохимическая) модель, адекватно описывающая последовательности фазовых переходов и соответствующие им экстремумы макросвойств в системах твёрдых растворов, не содержащих свинец (на основе ниобатов щелочных металлов, Bi-, Fe-, Mn- содержащих композиций, титанатов Ba-, Sr-, и пр.); установлены генезис и корреляции ротационно-полярных неустойчивостей с особенностями пьезоэлектрических и магнитных свойств в исследуемых системах;
– осуществлено прогнозное моделирование технологических регламентов изготовления выбранных объектов;
– изготовлены экспериментальные образцы выбранных объектов;
– выявлены фазы, фазовые состояния и области их сосуществования в многоэлементных композициях; определены области реконструктивных и морфотропных переходов, сопровождающихся усилением пьезоэлектрической активности, зоны составов с взаимодействующими ротационными и полярными фазовыми превращениями, характеризующимися экстримальностью свойств объектов;
– осуществлено нанотехнологическое (на уровне кристаллической решётки и микроструктуры) текстурирование выбранных сред с целью повышения пьезооткликов, используя при этом предварительно выращенные по определённой методике пластинчатые кристаллы Bi2.5Na3.5Nb5O18 – матрицу для «придания» исходным изотропным средам (в процессе обменной топохимической реакции) дендритообразной формы зёрен;
– произведено модифицирование выбранных перспективных основ элементами различной степени ковалентности связи (электроотрицательности) с целью корректировки и приближения электрофизических параметров к целевым;
– выявлены процессы формирования разномасштабных структурных уровней и установлены зависимости свойств объектов от термодинамической предыстории с применением методов мультифрактальной параметризации и концепции самоподобия;
– разработаны качественно-количественные составы керамических наноматериалов, не содержащих свинец;
– созданы на этой основе экологически безопасные, энергосберегающие, допускающие масштабирование, технологии получения таких наноматериалов с предельными (экстремально возможными) характеристиками, конкретные сочетания которых позволят их использовать в качестве радиопоглощающих покрытий, экранов, используемых для экологической защиты окружающей среды и человека от воздействия естественных и искусственных источников высокочастотных электромагнитных (ЭМ) излучений; в пьезоэлектрических датчиках детонации, работающих в широком диапазоне температур; в ультразвуковых дефектоскопах, толщиномерах, устройствах неразрушающего контроля, акселерометрах, зондах медицинской диагностической аппаратуры; в пьезографических приборах медицинского назначения, устройствах экстракорпоральной ударно-волновой терапии; в устройствах записи, хранения, передачи и защиты информации;

Новизна научных решений выражается в постановке принципиально новых научных и научно-технических задач (впервые выдвигается цель разработки технологии не одного, а серии бессвинцовых наноматериалов); применении для их исследования комплекса взаимодополняющих методов, в том числе, разрабатываемых и участниками проекта; возможности получения результатов, способных к правовой охране.
Значимость решаемой задачи определяется, прежде всего, экологическими ограничениями на соответствующих направлениях развития мировой экономики, в которой отсутствует описанная научно-техническая продукция. Последнее делает необходимым проведение подобных исследований в отсутствие возможностей воспользоваться существующими решениями, методами, технологиями. Результаты наших аналитических исследований по прогнозированию развития научно – технологической сферы в области функционального материаловедения подтверждают тот факт, что направленность предлагаемого нами проекта входит в научно – технологические российские и мировые приоритеты. Современные тенденции развития данной области науки и техники связаны с процессами экологического "оздоровления" промышленных производств, в связи с чем исследования, планируемые в представленном проекте, соответствуют мировым трендам и, более того, занимают приоритетные позиции по сравнению с другими подходами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В результате выполнения работ по проекту будут созданы материалы 5-ти групп.
Материалы 1-й группы, обладающие свойством высокоэффективного поглощения сверхвысокочастотных ЭМ – излучений, могут быть применимы для создания СВЧ – фазовращателей, фильтров, коммутаторов, радиопоглощающих покрытий (защита аппаратуры связи от внешних ЭМ – помех), поглощающих экранов, используемых при экологической защите окружающей среды и человека от негативного воздействия естественных (солнечная радиация, излучение прочих космических тел) и искусственных (высоковольтные линии электропередач, радары, мобильные телефоны) источников высокочастотных ЭМ – излучений, а также для совершенствования радиолокационных систем, защиты от помех оптоволоконных информационных каналов (аттенюаторов, терминаторов).
Материалы 2-й группы с высокой температурной стабильностью пьезодиэлектрических характеристик могут быть применимы в установках, работающих в режиме приёма в широком диапазоне температур, в частности, в пьезоэлектрических датчиках детонации, являющихся одними из датчиков электронных систем управления двигателями с впрыском топлива и предназначенных для фиксации момента возникновения детонации.
Материалы 3-й группы с бесконечной пьезоанизотропией могут быть применимы ультразвуковых дефектоскопах, толщиномерах, устройствах неразрушающего контроля, акселерометрах, зондах медицинской диагностической аппаратуры.
Материалы 4-й группы с высокой пьезочувствительностью могут быть применимы в пьезографической аппаратуре медицинского назначения для регистрации пульсовых колебаний артерий , вен (артериопьезография, флебопьезография) и записи фоно- (и баллисто-) кардиограмм; в приборах экстракорпоральной ударно-волновой терапии, в установках стоматологического профиля.
Материалы 5-й группы (магнитопьезоэлектрики) могут быть применимы в устройствах записи, хранения, передачи и защиты информации.
Способы использования ожидаемых результатов (научно-технической продукции, созданной в процессе выполнения проекта)
Внедрение разработанных в ходе выполнения технико-технологических решений (материалов, технологий, методов получения и исследования, измерительных стендов и пр.) будет осуществлено через опытное производство НИИ физики ЮФУ, «Технопарк–РГУ», малые предприятия (ООО «Пьезокерам», «Пьезооксид», «Норма»), созданные на базе отдела активных материалов НИИ физики ЮФУ (Учредитель - руководитель проекта д. ф.-м. н., проф. Резниченко Л.А.). Разрабатываемые материалы уже востребованы многолетними Заказчиками пьезотехнической продукции НИИ физики ЮФУ – ОАО «Элпа» (г. Зеленоград), РФЯЦ-ВНИИЭФ и институт взрыва (г. Саров), ЗАО «Электрет» и «Кордон» (г. Ростов-на-Дону), Группа компаний «Донские измерительные системы» (г. Ростов-на-Дону), ООО «РобертБош» (Штутгард), Институт керамики Китайской Академии Наук (г. Шанхай) и др.
К 2018 г. в Российской Федерации планируется принятие закона, аналогичного действующему в ЕС, запрещающего изготовление, эксплуатацию и утилизацию компонентов электронной аппаратуры, содержащих свинец (проект закона внесен на рассмотрение в ГД РФ). В связи с этим практическое применение результатов работы (наряду с ранее полученными авторами проекта) имеют межотраслевую направленность с масштабностью их исследования, охватывающей все отрасли реального сектора экономики, где востребованы функциональные материалы с особыми электрическими и магнитными свойствами.
Прогноз конкурентных преимуществ вероятных результатов работы заключается в главном эффекте от их применения – уменьшении экологической нагрузки на человека и окружающую среду и, как следствие, снижении себестоимости изделий за счет как исключения необходимости проведения мероприятий, направленных на повышение экологической безопасности производств, так и снижения энергоёмкости продукции из-за более щадящих температурных регламентов ёё получения.
Ожидаемый народно-хозяйственный эффект от внедрения разрабатываемых бессвинцовых наноматериалов заключается в
– крупномасштабности использования ожидаемых результатов (госкорпорации «Роснано», «Росатом», практически все министерства РФ, использующие пьезотехническую продукцию), конструктивном, положительном влиянии созданной инновационной продукции на структуру соответствующих производств, в которых в рамках традиционных технологий (т.е. без их существенных перестроек) предполагается значительно «оздоровить» процесс изготовления – эксплуатации пьезотехнической продукции;
– значительности социально-экономического эффекта от использования продукции, созданной на основе результатов данного исследования, в том числе, создании принципиально новой продукции (материалов, технологий), совершенствовании технологических процессов с точки зрения повышения экологической безопасности производств;
– перспективности вновь создаваемой интеллектуальной собственности в патентоспособной части будущих результатов исследований и их лицензионных возможностей;
– отсутствии дополнительных условий и факторов, необходимых для обеспечения социально-экономических эффектов от использования продукции, созданной на основе результатов данного исследования, за счет коммерциализации в экономически целесообразных объемах.

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме, проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. На основе анализа состояния исследуемой проблемы, в том числе, результатов патентных исследований и сравнительной оценки вариантов возможных решений с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичным проблемам, выбраны направления исследований.
2. Разработана система базовых принципов моделирования и атомарного конструирования функциональных (интеллектуальных) керамических наноматериалов, не содержащих токсичные элементы (прежде всего, свинец), с диссипативными, пьезодиэлектрическими, сегнетоэластическими, теплофизическими, магнитными свойствами и их сочетаниями, адекватными или превосходящими таковые в свинецсодержащих композициях.
3. Разработана термодинамическая (кристаллохимическая) модель, адекватно описывающая последовательности фазовых переходов и соответствующие им экстремумы макросвойств в системах твёрдых растворов, не содержащих свинец (на основе ниобатов щелочных металлов, Bi-, Fe-, Mn- содержащих композиций, титанатов Ba-, Sr-, и пр.).
4. Подготовлены и направлены в ФИПС программы для ЭВМ и заявки на изобретения.