ТЕХНОЛОГИИ (последнее)
ПРОВОДА С ПРОЧНОСТЬЮ СТАЛИ
Машиныи и моторы. Технологии и инновации. Оборудование.
Марина ХАЛИЗЕВА, журналист
Специалисты московского Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов им. А. А. Бочвара - крупнейшего научного центра госкорпорации по атомной энергии "Росатом" - создали промышленную технологию изготовления электротехнических проводов из нового класса материалов с нанометрическим уровнем дисперсности структуры, обладающих уникальным сочетанием прочностных и проводящих свойств. Их практическое использование позволит совершить качественный скачок в электро-, авиа- и космической технике, машиностроении, судостроении и электронике.
стр. 46
Физический эффект аномального повышения прочности в тонких проволоках системы Cu-Nb.
Институт, при участии которого во второй половине XX в. были созданы ядерный щит страны, атомный флот, современные АЭС, космические аппараты, высокотехнологичное производство по переработке отработавшего ядерного топлива, начал заниматься сверхпроводниками* еще в 1960-х годах. Тогда в расположенном по соседству с ним Курчатовском центре (ныне Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт") строили уникальные магнитные системы - токамаки - наиболее перспективные устройства для удержания плазмы**. Температуру, необходимую для получения в них термоядерных реакций практически приемлемого уровня, нужно было поднимать до сотен миллионов градусов. Но как управлять такой стихией? В 1951 г. выдающиеся советские физики академики Андрей Сахаров*** и Игорь Тамм предложили использовать термоядерный реактор, где плазма имела бы форму тора и удерживалась в нем с помощью сильных полей, создающихся магнитами со сверхпроводящими обмотками. Поиском новых материалов для них и занимался работающий в тесной кооперации с курчатовцами институт, возглавляемый известным металловедом академиком Андреем Бочваром (1902 - 1984).
Именно там методом гальванического сращивания получили ~10 т сверхпроводников на основе ниобий-титанового (NbTi) сплава для установки Т-7 (1979 г.) - первого в мире токамака, разработали и освоили в промышленном масштабе так называемую "бронзовую" технологию производства композита из ниобий-оловянного (Nb3Sn) соединения, основанную на селективной твердофазной диффузии. Тонкие нити ниобия запрессовывали в матрицу из бронзы, содержащую 10 - 13% Sn. В результате многократного волочения и повторяющихся запрессовок с промежуточными отжигами и последующей термической обработкой происходила диффузия олова в ниобий и образование на его поверхности тонкой защитной Mb3Sn-пленки. Из-за ничтожной растворимости медь в ниобий практически не проникала. Изготовленные таким способом провода обладали высокой пластичностью, легко гнулись и укладывались плетением в кабель, сохраняя при этом прочность. Благодаря новаторской технологии бочваровцы, по сути, открыли дорогу к созданию в Курчатовском институте крупнейшей магнитной системы Т-15 (1988 г.), состоящей из ~25 т обмоточного кабеля. И это стало первым в мире масштабным применением сверхпроводящих материалов. Сегодня последователи именитого металловеда обеспечивают длинномерными сильноточными обмотками (на основе Nb3Sn-соединения) модельные катушки строящегося во Франции Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР****.
Оптимизация конструкции таких кабелей, совершенствование характеристик входящих в его состав сплавов, в конечном счете и привели к появлению нового класса композиционных материалов, а также к созданию на их базе промышленной технологии изготовления наноструктурных электротехнических проводов с уникальным сочетанием прочностных и электропроводящих свойств. Данная работа, проводившаяся под научным руководством доктора технических наук Виктора Панцырного, стоит в ряду прорывных достижений бочваровцев.
Металловедам путем сборки биметаллических составных заготовок и их последующего деформирования удалось внедрить в медную матрицу обыч-
* См.: В. Сытников, В. Высоцкий. Сверхпроводниковые технологии в электроэнергетике. - Наука в России, 2010, N 2 (прим. ред.).
** См.: В. Стрелков. Царского пути в термояде нет. - Наука в России, 2009, N 1 (прим. ред.).
*** См.: "Отец" водородной бомбы. - Наука в России, 2011, N 4 (прим. ред.).
**** См.: В. Глухих. На пороге термоядерной эры. - Наука в России, 2003, N 3; Л. Голубчиков. Токамак - интернациональный проект. - Наука в России, 2004, N 1 (прим. ред.).
стр. 47
ного провода ленточные ниобиевые волокна толщиной 6 - 10 нм. В кабель сечением 2x3 мм специалисты имплантировали свыше 400 млн. таких нитей, равномерно распределенных вдоль оси проводника. Именно они гарантируют изделию механическую прочность (1200 - 1500 МПа) на уровне стали. А малое расстояние между волокнами, сопоставимое со средней длиной пробега электронов в матрице, обеспечивает электропроводность, близкую к чистой меди. При этом новые обмотки в 10 раз устойчивее к напряжениям изгиба по сравнению с Си. По такой технологии можно получать однородные по свойствам высокопрочные провода длиной 100 - 200 м.
Надо признать, западные электротехнологические компании, в частности "Supercon" (США) и "Showa и Furukawa Electric" (Япония), в конце 1980-х - начале 1990-х годов пытались создать сходный по характеристикам силовой кабель, однако достичь оптимального соотношения прочности и электропроводности удалось только нашим ученым. Отправленная в научные центры США, Бельгии, Нидерландов, Германии, Польши и Литвы партия отечественных нанокомпозитов получила высокую оценку зарубежных специалистов. Например, в американской Лос-Аламосской национальной лаборатории, где материал проходил тестовые испытания, пришли к однозначному выводу: по всем ха-
стр. 48
рактеристикам Cu-Nb-провод превышает мировые аналоги. А в Университете Флориды из него уже создали импульсную магнитную систему с рекордно высокой индукцией магнитного поля 85 Тл. Следующим шагом станет пуск супергиганта на 90 Тл в Лос-Аламосе.
Рыночные перспективы инновационного продукта необъятны. В электротехнике провода нужны для установок с высокой напряженностью магнитного поля (от 50 до 100 Тл). В машиностроении, в частности в автомобильной и авиационной отраслях, - для реализации магнитно-импульсного метода штамповки серийных деталей сложной формы, сварки разнородных материалов - используемые в качестве индукторов, они в 2 раза повышают мощность и, как следствие, эффективность этого оборудования. В электронной и телекоммуникационной технике такие провода будут способствовать уменьшению веса и габаритов миниатюрных изделий, сохранению их долговечности за счет высокого показателя "гиб с перегибом". В авиационной и космической промышленности - повышать надежность авионики (электронных систем в области авиации) при уменьшении массы соединительных кабелей. В робототехнике благодаря высокой стойкости к изгибным напряжениям - увеличивать стабильность работы устройств передачи электроэнергии к исполнительным механизмам.
стр. 49
стр. 50
Большие выгоды сулит применение композиционных проводов для организации скоростного железнодорожного и городского троллейбусного транспорта, контактные сети которого в связи с повышенными требованиями по механической прочности, износо- и коррозионной стойкости требуют частой замены. А их использование в устройствах резонансной передачи электроэнергии, утверждают разработчики, вообще не имеет альтернативы.
По экспертным оценкам, в основном сегменте рынка - производстве электропроводов - суперкомпозит может составить серьезную конкуренцию распространенным на рынке аналогам из сложнолегированных бронз - близкий к ним по уровню прочности, он имеет вдвое большую проводимость.
Новизна разработки подтверждена патентами РФ и дипломами международных и отечественных выставок. В 2005 г. она победила в Конкурсе русских инноваций, в 2006-м признана лучшей на отраслевом Инновационном форуме "Росатома" в категории "Электроника и электротехника". А сегодня проект выходит на новый уровень: в августе 2011 г. ОАО "Роснано" и Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. А. А. Бочвара (с 2009 г. входит в компанию "ТВЭЛ", обеспечивающую топливом ядерно-энергетический комплекс страны) подписали инвестиционное соглашение по созданию промышленного выпуска сверхвысокопрочных наноструктурированных проводов в рамках совместного Научно-производственного предприятия "Наноэлектро".
Проект весьма актуален, утверждает в интервью газете "Атомпресса" (2011, N 41) генеральный директор новой компании Сергей Судьев: он сохранит накопленный в области композиционных проводниковых материалов научно-технический потенциал, удовлетворит растущий на электротехническом рынке спрос на обмотки с сверхвысокой прочностью и электропроводностью и позволит в перспективе занять там достойные позиции.
По прогнозам экспертов, к 2015 г. мировой рынок суперпроводов достигнет 696 млн. дол., что вдвое превысит таковой в 2009 г. "Сегмент проводов прочностью свыше 800 МПа, к которому относится значительная часть нашей продукции, - говорит в той же публикации Судьев, - по итогам 2009 г. составлял ~27% рынка, а к 2015 г. его доля будет приближаться к 50%". Российский рынок данной продукции пока выглядит скромно: 12 млн. дол. в 2009 г. и 34 млн. дол. к 2015 г. - это 5% от мирового показателя. Однако с вводом в строй отечественного производства наша страна, как показывает маркетинговый анализ, может занять на кабельном рынке все 15%.
Основную часть финансирования проекта (450 млн. руб.) взяло на себя ОАО "Роснано". Бочваровцы инвестировали в него 570 млн. руб. - главным образом интеллектуальной собственностью и оборудованием. К концу 2014 г. на территории их института, где работают два цеха с мощными прессами, большими плавильными печами и другим промышленным оборудованием, будут изготавливать до 50 т наноструктурированных проводов в год. Перспективные планы (2014 - 2017 гг.) связаны с формированием крупномасштабного коммерческого выпуска таких материалов на базе Чепецкого механического завода (г. Глазов, Удмуртия) - одного из крупнейших предприятий уральского региона, где создают изделия из циркониевых сплавов, природного и обедненного урана, металлического кальция и его соединений. По программе диверсификации (переориентации рынков сбыта) производства сверхпроводящих материалов для ИТЭР с 2014 г. на заводе высвобождаются значительные мощности. Но они будут разумно использованы для других целей - изготовления четырех основных типов нанопроводов объемом 200 т в год, имеющих на рынке наибольший платежеспособный спрос.
Специалисты московского Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов им. А. А. Бочвара - крупнейшего научного центра госкорпорации по атомной энергии "Росатом" - создали промышленную технологию изготовления электротехнических проводов из нового класса материалов с нанометрическим уровнем дисперсности структуры, обладающих уникальным сочетанием прочностных и проводящих свойств. Их практическое использование позволит совершить качественный скачок в электро-, авиа- и космической технике, машиностроении, судостроении и электронике.
стр. 46
Физический эффект аномального повышения прочности в тонких проволоках системы Cu-Nb.
Институт, при участии которого во второй половине XX в. были созданы ядерный щит страны, атомный флот, современные АЭС, космические аппараты, высокотехнологичное производство по переработке отработавшего ядерного топлива, начал заниматься сверхпроводниками* еще в 1960-х годах. Тогда в расположенном по соседству с ним Курчатовском центре (ныне Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт") строили уникальные магнитные системы - токамаки - наиболее перспективные устройства для удержания плазмы**. Температуру, необходимую для получения в них термоядерных реакций практически приемлемого уровня, нужно было поднимать до сотен миллионов градусов. Но как управлять такой стихией? В 1951 г. выдающиеся советские физики академики Андрей Сахаров*** и Игорь Тамм предложили использовать термоядерный реактор, где плазма имела бы форму тора и удерживалась в нем с помощью сильных полей, создающихся магнитами со сверхпроводящими обмотками. Поиском новых материалов для них и занимался работающий в тесной кооперации с курчатовцами институт, возглавляемый известным металловедом академиком Андреем Бочваром (1902 - 1984).
Именно там методом гальванического сращивания получили ~10 т сверхпроводников на основе ниобий-титанового (NbTi) сплава для установки Т-7 (1979 г.) - первого в мире токамака, разработали и освоили в промышленном масштабе так называемую "бронзовую" технологию производства композита из ниобий-оловянного (Nb3Sn) соединения, основанную на селективной твердофазной диффузии. Тонкие нити ниобия запрессовывали в матрицу из бронзы, содержащую 10 - 13% Sn. В результате многократного волочения и повторяющихся запрессовок с промежуточными отжигами и последующей термической обработкой происходила диффузия олова в ниобий и образование на его поверхности тонкой защитной Mb3Sn-пленки. Из-за ничтожной растворимости медь в ниобий практически не проникала. Изготовленные таким способом провода обладали высокой пластичностью, легко гнулись и укладывались плетением в кабель, сохраняя при этом прочность. Благодаря новаторской технологии бочваровцы, по сути, открыли дорогу к созданию в Курчатовском институте крупнейшей магнитной системы Т-15 (1988 г.), состоящей из ~25 т обмоточного кабеля. И это стало первым в мире масштабным применением сверхпроводящих материалов. Сегодня последователи именитого металловеда обеспечивают длинномерными сильноточными обмотками (на основе Nb3Sn-соединения) модельные катушки строящегося во Франции Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР****.
Оптимизация конструкции таких кабелей, совершенствование характеристик входящих в его состав сплавов, в конечном счете и привели к появлению нового класса композиционных материалов, а также к созданию на их базе промышленной технологии изготовления наноструктурных электротехнических проводов с уникальным сочетанием прочностных и электропроводящих свойств. Данная работа, проводившаяся под научным руководством доктора технических наук Виктора Панцырного, стоит в ряду прорывных достижений бочваровцев.
Металловедам путем сборки биметаллических составных заготовок и их последующего деформирования удалось внедрить в медную матрицу обыч-
* См.: В. Сытников, В. Высоцкий. Сверхпроводниковые технологии в электроэнергетике. - Наука в России, 2010, N 2 (прим. ред.).
** См.: В. Стрелков. Царского пути в термояде нет. - Наука в России, 2009, N 1 (прим. ред.).
*** См.: "Отец" водородной бомбы. - Наука в России, 2011, N 4 (прим. ред.).
**** См.: В. Глухих. На пороге термоядерной эры. - Наука в России, 2003, N 3; Л. Голубчиков. Токамак - интернациональный проект. - Наука в России, 2004, N 1 (прим. ред.).
стр. 47
ного провода ленточные ниобиевые волокна толщиной 6 - 10 нм. В кабель сечением 2x3 мм специалисты имплантировали свыше 400 млн. таких нитей, равномерно распределенных вдоль оси проводника. Именно они гарантируют изделию механическую прочность (1200 - 1500 МПа) на уровне стали. А малое расстояние между волокнами, сопоставимое со средней длиной пробега электронов в матрице, обеспечивает электропроводность, близкую к чистой меди. При этом новые обмотки в 10 раз устойчивее к напряжениям изгиба по сравнению с Си. По такой технологии можно получать однородные по свойствам высокопрочные провода длиной 100 - 200 м.
Надо признать, западные электротехнологические компании, в частности "Supercon" (США) и "Showa и Furukawa Electric" (Япония), в конце 1980-х - начале 1990-х годов пытались создать сходный по характеристикам силовой кабель, однако достичь оптимального соотношения прочности и электропроводности удалось только нашим ученым. Отправленная в научные центры США, Бельгии, Нидерландов, Германии, Польши и Литвы партия отечественных нанокомпозитов получила высокую оценку зарубежных специалистов. Например, в американской Лос-Аламосской национальной лаборатории, где материал проходил тестовые испытания, пришли к однозначному выводу: по всем ха-
стр. 48
рактеристикам Cu-Nb-провод превышает мировые аналоги. А в Университете Флориды из него уже создали импульсную магнитную систему с рекордно высокой индукцией магнитного поля 85 Тл. Следующим шагом станет пуск супергиганта на 90 Тл в Лос-Аламосе.
Рыночные перспективы инновационного продукта необъятны. В электротехнике провода нужны для установок с высокой напряженностью магнитного поля (от 50 до 100 Тл). В машиностроении, в частности в автомобильной и авиационной отраслях, - для реализации магнитно-импульсного метода штамповки серийных деталей сложной формы, сварки разнородных материалов - используемые в качестве индукторов, они в 2 раза повышают мощность и, как следствие, эффективность этого оборудования. В электронной и телекоммуникационной технике такие провода будут способствовать уменьшению веса и габаритов миниатюрных изделий, сохранению их долговечности за счет высокого показателя "гиб с перегибом". В авиационной и космической промышленности - повышать надежность авионики (электронных систем в области авиации) при уменьшении массы соединительных кабелей. В робототехнике благодаря высокой стойкости к изгибным напряжениям - увеличивать стабильность работы устройств передачи электроэнергии к исполнительным механизмам.
стр. 49
стр. 50
Большие выгоды сулит применение композиционных проводов для организации скоростного железнодорожного и городского троллейбусного транспорта, контактные сети которого в связи с повышенными требованиями по механической прочности, износо- и коррозионной стойкости требуют частой замены. А их использование в устройствах резонансной передачи электроэнергии, утверждают разработчики, вообще не имеет альтернативы.
По экспертным оценкам, в основном сегменте рынка - производстве электропроводов - суперкомпозит может составить серьезную конкуренцию распространенным на рынке аналогам из сложнолегированных бронз - близкий к ним по уровню прочности, он имеет вдвое большую проводимость.
Новизна разработки подтверждена патентами РФ и дипломами международных и отечественных выставок. В 2005 г. она победила в Конкурсе русских инноваций, в 2006-м признана лучшей на отраслевом Инновационном форуме "Росатома" в категории "Электроника и электротехника". А сегодня проект выходит на новый уровень: в августе 2011 г. ОАО "Роснано" и Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. А. А. Бочвара (с 2009 г. входит в компанию "ТВЭЛ", обеспечивающую топливом ядерно-энергетический комплекс страны) подписали инвестиционное соглашение по созданию промышленного выпуска сверхвысокопрочных наноструктурированных проводов в рамках совместного Научно-производственного предприятия "Наноэлектро".
Проект весьма актуален, утверждает в интервью газете "Атомпресса" (2011, N 41) генеральный директор новой компании Сергей Судьев: он сохранит накопленный в области композиционных проводниковых материалов научно-технический потенциал, удовлетворит растущий на электротехническом рынке спрос на обмотки с сверхвысокой прочностью и электропроводностью и позволит в перспективе занять там достойные позиции.
По прогнозам экспертов, к 2015 г. мировой рынок суперпроводов достигнет 696 млн. дол., что вдвое превысит таковой в 2009 г. "Сегмент проводов прочностью свыше 800 МПа, к которому относится значительная часть нашей продукции, - говорит в той же публикации Судьев, - по итогам 2009 г. составлял ~27% рынка, а к 2015 г. его доля будет приближаться к 50%". Российский рынок данной продукции пока выглядит скромно: 12 млн. дол. в 2009 г. и 34 млн. дол. к 2015 г. - это 5% от мирового показателя. Однако с вводом в строй отечественного производства наша страна, как показывает маркетинговый анализ, может занять на кабельном рынке все 15%.
Основную часть финансирования проекта (450 млн. руб.) взяло на себя ОАО "Роснано". Бочваровцы инвестировали в него 570 млн. руб. - главным образом интеллектуальной собственностью и оборудованием. К концу 2014 г. на территории их института, где работают два цеха с мощными прессами, большими плавильными печами и другим промышленным оборудованием, будут изготавливать до 50 т наноструктурированных проводов в год. Перспективные планы (2014 - 2017 гг.) связаны с формированием крупномасштабного коммерческого выпуска таких материалов на базе Чепецкого механического завода (г. Глазов, Удмуртия) - одного из крупнейших предприятий уральского региона, где создают изделия из циркониевых сплавов, природного и обедненного урана, металлического кальция и его соединений. По программе диверсификации (переориентации рынков сбыта) производства сверхпроводящих материалов для ИТЭР с 2014 г. на заводе высвобождаются значительные мощности. Но они будут разумно использованы для других целей - изготовления четырех основных типов нанопроводов объемом 200 т в год, имеющих на рынке наибольший платежеспособный спрос.
Опубликовано 13 августа 2014 года
Новые статьи на library.by:
ТЕХНОЛОГИИ:
Комментируем публикацию: ПРОВОДА С ПРОЧНОСТЬЮ СТАЛИ
подняться наверх ↑
ССЫЛКИ ДЛЯ СПИСКА ЛИТЕРАТУРЫ
По стандарту ВАК Республики Беларусь
Стандарт используется в белорусских учебных заведениях различного типа.
По ГОСТу Российской Федерации
Для образовательных и научно-исследовательских учреждений РФ
Прямой URL на данную страницу для блога или сайта
Предполагаемый источник
Полностью готовые для научного цитирования ссылки. Вставьте их в статью, исследование, реферат, курсой или дипломный проект, чтобы сослаться на данную публикацию №1407932786 в базе LIBRARY.BY.
подняться наверх ↑
ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!
подняться наверх ↑
ОБРАТНО В РУБРИКУ?
Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.
Добавить статью
Обнародовать свои произведения
Редактировать работы
Для действующих авторов
Зарегистрироваться
Доступ к модулю публикаций