Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологических основ гидротермального синтеза и функционального применения наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия для создания нового класса тугоплавких коррозионностойких материалов и изделий

Докладчик: Мазалов Юрий Александрович

Должность: Руководитель Инновационного центра, профессор, доктор технических наук

Цель проекта:
1.1. Создание научно-технического задела в области технологий получения нового класса наноструктурированных алюмооксидных материалов и изделий, работающих в условиях экстремальных механических нагрузок, резких смен температур и в агрессивных средах. 1.2. Разработка технологических основ гидротермального синтеза и функционального применения наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия для создания нового класса тугоплавких коррозионностойких материалов и изделий с улучшенными физико-механическими свойствами.

Основные планируемые результаты проекта:
2.1 Основные результаты
2.1.1 Технологические решения процессов:
- гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия;
- изготовления наноструктурированных материалов на основе оксидов алюминия, модифицированных нанокластерами;
- консолидации наноматериалов на основе синтезируемых наноструктурированных алюмооксидных порошков методами статического и импульсного прессования и высокотемпературного спекания.
2.1.2 Конструкторские решения на создание и изготовление технологического оборудования:
- экспериментальный стенд для исследования гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия;
- блок автоматизированной системы контроля и управления технологическим процессом (АСКУ) гидротермального синтеза наноструктурных гидроксидов и оксидов алюминия;
- блок сушки и измельчения наноструктурного бемита для экспериментального стенда гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия;
- блок автоматической системы подачи порошка алюминия для экспериментального стенда гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия.
2.1.3 Закономерности влияния технологических режимов гидротермального синтеза на технологические и структурные свойства порошков наноструктурного бемита, материалов и изделий на их основе.
2.1.4 Результаты экспериментальных исследований влияния технологических режимов гидротермального синтеза на состав и свойства наноструктурного бемита.
2.1.5 Результаты экспериментальных исследований влияния состава и свойств наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия на технологические режимы получения и свойства тугоплавких коррозионностойких материалов и изделий.
2.1.6 Оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.
2.1.7 Рекомендации и предложения по использованию разработанного научно-технического задела для изготовления тугоплавких коррозионностойких материалов и изделий, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
2.1.8 Результаты маркетинговых исследований с целью изучения перспектив коммерциализации результатов, полученных при выполнении прикладных научных исследований.
2.1.9 Технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
2.1.10 Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей российского и зарубежного партнеров.
2.1.11 Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
2.1.12 Программы и методики испытаний экспериментальных образцов наноструктурированных порошков, керамики и композитов.
2.1.13 Лабораторный технологический регламент гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия.
2.1.14 Лабораторный технологический регламент получения тугоплавких коррозионностойких наноструктурированных керамических материалов на основе оксида алюминия, модифицированных нанокластерами, с улучшенными физико-механическими свойствами.
2.1.15 Экспериментальные образцы наноструктурированных гидрооксидов и оксидов алюминия.
2.1.16 Экспериментальные образцы тугоплавких коррозионностойких наноструктурированных керамических материалов на основе оксида алюминия, модифицированных нанокластерами, с улучшенными физико-механическими свойствами.
2.1.17 Проект технического задания на проведение ОТР по теме: "Разработка и создание опытно-промышленной технологии получения тугоплавких коррозионностойких наноструктурированных керамических материалов на основе оксида алюминия, модифицированных нанокластерами, с улучшенными физико-механическими".
2.2 Основные характеристики планируемых результатов:
2.2.1 Экспериментальные образцы наноструктурированного керамического материала на основе оксидов, модифицированных нанокластерами, должны обладать следующими свойствами:
- пористость, регулируемая от 0,5 до 30%;
- размер зерна нанокристалла, не более 100 нм ;
- трещиностойкость, не менее 7,3МПа*м1/2;
-стойкость к термоудару (ГОСТ Р 52542-2006), не менее 15 теплосмен;
- теплопроводность, не менее 40 Вт/м К.
2.2.2 Экспериментальные образцы наноструктурированных материалов для абразивной обработки должны обеспечить увеличение интенсивности съема материала не менее чем в 1,5 раза, уменьшение шероховатости в 3-5 раз, повышение стойкости инструмента до 3-х раз.
2.2.3 Экспериментальные образцы наноструктурированных материалов для литейных технологий должны обеспечить увеличение износостойкости покрытий в 2-3 раза, прочности на сжатие до 2-х раз.
2.3 Оценка элементов новизны
Новизна работы заключается в разработке технологических решений гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия и методов изготовления наноструктурированных консолидированных алюмооксидных материалов и изделий с улучшенными физико-механическими свойствами, значительно превосходящими существующие аналоги.
2.4 Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Технологии гидротермального синтеза и функционального применения гидроксидов и оксидов алюминия для создания нового класса наноструктурированных алюмооксидных материалов и изделий с улучшенными физико-механическими свойствами не имеют аналогов.
2.5 Основные пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски:
- разработка конструкторских решений и создание экспериментального стенда для исследования гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия;
- исследование закономерностей влияния технологических режимов гидротермального синтеза на технологические и структурные свойства порошков наноструктурного бемита, материалов и изделий на их основе, влияния технологических режимов гидротермального синтеза на состав и свойства наноструктурного бемита, влияния состава и свойств наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия на технологические режимы получения и свойства тугоплавких коррозионностойких материалов и изделий;
- отработка технологических режимов гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия;
- разработка технологических основ функционального применения наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия для создания нового класса наноструктурированных алюмооксидных материалов и изделий;
- учитывая многолетний опыт исполнителей проекта в области гидротермального синтеза и функционального применения наноструктурных гидроксидов и оксидов алюминия риски выполнения данного контракта сведены к минимуму.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
3.1 Описание областей применения планируемых результатов
Результаты работы будут положены в основу разработки опытно-промышленной технологии производства наноструктурированных порошков гидроксидов и оксидов алюминия и материалов на их основе. Наноструктурированные алюмооксидные порошковые материалы используются в диспергированном и консолидированном состоянии:
-в первом случае как пигменты для красок, как различные виды наполнителей для полимеров и резины, в виде носителей биологически активных препаратов, катализаторов, присадок, смазочных материалов и др.;
- во втором случае использование нанопорошков в качестве исходного сырья для изготовления консолидированных объемных высокоплотных нанокристаллических материалов: керметов, материалов для электрических контактов и диэлектрических материалов, инструментальной керамики, бронезащитных элементов, а так же пористых консолидированных материалов: фильтров, сорбентов, шлифовальных и полировальных инструментальных материалов и изделий из них и т.п.
В машиностроении, металлургии основными отраслями использования наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия выделяются следующие:
• производство металлокерамических изделий: общий объем металлокерамических изделий, выпущенных в 2013 году только крупными отечественными предприятиями, составил около 1 млрд. изделий;
• производство абразивных и шлифовальных паст. По данным экспертов машиностроение, металлургия является одной из основных отраслей применения оксидов алюминия. Расчетный объем потребления оксидов алюминия в 2013 году в данных отраслях в России составил около 200 тонн.
В химии и нефтехимии оксиды алюминия имеют обширное применение, в частности в керамических материалах, огнеупорах, носителях катализаторов производства химической продукции и т.д.:
• разработка нового поколения катализаторов и носителей для использования в химических производствах;
По самым скромным подсчетам экспертов объем оксидов алюминия, используемых в данной отрасли отечественными предприятиями, составил в 2013 году около 350 тонн.
• сорбенты для извлечения ценных металлов из сточных вод промышленных предприятий.
Данная отрасль также достаточно развита в отечественной промышленности. По данным экспертов, объем оксидов алюминия, используемых в данной отрасли отечественными предприятиями, составил в 2013 году около 150 тонн.
3.2 Описание практического внедрения планируемых результатов
Результаты работы будут положены в основу разработки опытно-промышленной технологии производства наноструктурированных порошков гидроксидов и оксидов алюминия и материалов на их основе. На завершающем этапе исследований будут разработаны:
- лабораторный технологический регламент гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия..
- лабораторный технологический регламент получения тугоплавких коррозионностойких наноструктурированных керамических материалов на основе оксида алюминия, модифицированных нанокластерами, с улучшенными физико-механическими свойствами.
-проект технического задания на проведение ОТР по теме: "Разработка и создание опытно-промышленной технологии получения тугоплавких коррозионностойких наноструктурированных керамических материалов на основе оксида алюминия, модифицированных нанокластерами, с улучшенными физико-механическими".
Практическое внедрение планируется на промышленных предприятиях:
- в огнеупорной и керамической промышленности потенциальными потребителями могут быть следующие предприятия: ОАО «Поликор», Камыщловский завод «Электроизолятор», ЗАО «Электрокерамика», ООО ТД «Боровичский комбинат огнеупоров».
- в химической промышленности потенциальными потребителями могут быть такие предприятия: ОАО «Дорогобуш», ЗАО «Промышленные катализаторы», ЗАО «Нижегородские Сорбенты», ОАО «Катализатор» ОАО «Ангарский завод катализаторов и органического синтеза».
3.3 Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сфере. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечении развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
ФГБНУ ГОСНИТИ связывают многолетние научные связи с ГНУ «Институт порошковой металлургии» (Беларусь). ГОСНИТИ многие годы занимается исследованием процесса гидротермального синтеза. Белорусская сторона занималась преимущественно исследованиями наноструктурированных порошков и эффектов их применения в различных материалах. По нашему мнению именно симбеоз этих подходов и позволит сделать существенный прорыв в создании нового класса тугоплавких коррозионностойких материалов и изделий на основе наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия.
К настоящему времени ГОСНИТИ располагает экспериментальной базой для исследования закономерностей гидротермального синтеза, исследовательским оборудованием для изучения наноструктурированных порошков. Беларусская сторона обладает опытом их применения, технологической и исследовательской базой, владеет современными методами консолидации порошков, включая метод импульсного прессования.
Совместная работа по проекту будет способствовать эффективному решению поставленных задач, укреплению научно-технического сотрудничества двух стран. Неизбежно изменение структуры производства в сторону повышения его наукоемкости и экологической составляющей. Совместные усилия по реализации целей проекта станут стимулом для развития исследований в рамках международного сотрудничества. Этому будет способствовать и развитие системы демонстрации и популяризации науки, участие в конференциях и совместные публикации.


Текущие результаты проекта:
4.1 Проведен аналитический обзор научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему в области гидротермального синтеза и функционального применения наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия для создания нового класса тугоплавких коррозионностойких материалов и изделий.
4.2 Обоснован выбор основных направлений исследований, методов и средств гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия и создания нового класса тугоплавких коррозионностойких материалов на их основе.
4.3 Разработаны программы и методики проведения испытаний экспериментальных образцов.
4.4 Разработаны основные технологические решения на реализацию процесса гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия.
4.5 Разработаны основные конструкторские решения на создание экспериментального стенда для исследования гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия.
4.6 Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд гидротермального синтеза наноструктурированных гидрооксидов и оксидов алюминия.
4.7 Изготовлен экспериментальный стенд, проведены пуско-наладочные работы и приемка стенда в эксплуатацию.
4.8 Изготовлены экспериментальные образцы наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия, материалов и изделий.
4.9 Подготовлено необходимое оборудование и проведены испытания экспериментальных образцов наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия, материалов и изделий.
4.10 Проведены патентные исследования в области получения наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия.
4.11 За счет внебюджетных средств проведена закупка и приемка автоматизированной системы контроля и управления технологическим процессом (АСКУ) гидротермального синтеза наноструктурированных гидроксидов и оксидов алюминия.
4.12 Иностранным партнером проведены работы по закупке, модернизации и аренде необходимого технологического и контрольно-измерительного оборудования.
4.13 Иностранным партнером организованы и проведены 2 международные научные конференции, направленные на освещение и популяризацию результатов проводимых ПНИ.
4.14 Иностранным партнером проведены предварительные маркетинговые исследования по реализации наноструктурированных керамоматричных композитов на основе Al2O3.
4.15 Иностранным партнером проведены патентные исследования в области создания тугоплавких коррозионностойких материалов и изделий.
4.16 Подана заявка № 2014145419 от 12.11.2014 на полезную модель «Вакуумная изоляционная панель с алюмооксидным десикантом»
4.17 В отчетный период исполнителями ПНИ принято участие в работе 4-х Международных научных конференций с докладами по теме выполненных исследований. Доклады опубликованы в сборниках трудов конференций.