ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Создание технологических основ получения и промышленного производства наноразмерных и наноструктурных материалов и продуктов на их основе».

Рекомендуемая область пременения

Разработанный инновационный проект может применяться в машиностроении, авиакосмической промышленности, электронике, химической промышленности, нефтехимической промышленности, нефте- и газодобывающей отраслях, медицине, биотехнологиях, коммунальном хозяйстве.

Назначение, цели и задачи проекта

Назначение:

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.

Цели и задачи:

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.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Одно из перспективных направлений применения — фильтровальные материалы, созданные с помощью нановолокон, которые могут поставить барьер на пути распространения птичьего гриппа. Потенциальные потребители таких фильтров — сотни предприятий фармацевтической и пищевой промышленности.

Наиболее актуально применение наноматериалов и в медицине, например для создания биоимплантатов. Человеческая кость представляет собой сложный набор оксидов, что роднит ее с нанокерамикой. Имплантировать металл внутрь кости небезопасно: вещество может так и остаться чужеродным. В лучшем случае вживленный материал инкапсулируется в организме (вокруг инородного тела образуется защитная оболочка), в худшем — начнет отрицательно воздействовать на него. Идеальный вариант — вживить керамику, напоминающую костную ткань не только химическим составом, но и своей пористостью.

Нанопорошки необходимо использовать в металлургии в качестве добавок для улучшения свойств изделий из металла. В частности, для изготовления турбинных лопаток самолетных двигателей. А если в полимерную матрицу добавить меньше одной десятой процента наноразмерных порошков, прочность и пластичность полимерных материалов увеличатся в 2–4 раза.  Чтобы повысить прочность, коррозионную стойкость и износостойкость материала, можно не наполнять его нанопорошком — достаточно сделать наноструктурное покрытие. За счет него ресурс работы узлов трения машин и механизмов резко увеличивается. Из-за низкого коэффициента трения подшипники из керамики могут работать без смазки. Они могли бы стать незаменимыми в транспортной и космической отраслях, где смазка на металлических деталях быстро испаряется и механизм стопорится.

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.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

На основе нанопорошков производятся волокна, которые с помощью особой технологии помещаются на специальные тканевые маты.

При обработке в специальных условиях нанопорошок превращается в нанокерамику — особый композиционный высокотвердый материал, обладающий устойчивостью к кислотам и щелочам. Он долго не разрушается: срок его службы может составлять тысячи лет. Температура плавления достигает +3 500°С (для сравнения: у тугоплавкого вольфрама, из которого сделана нить накаливания в лампочке, — около +3 400°С).

Технологии и оборудование на сегодняшний день позволяют получать наноструктурные покрытия, по твердости сравнимые с алмазом.

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 800-1200 МПа при вязкости разрушения до 20 МПа*м? 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.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Стоимость готовой продукции, полученной в результате реализации проекта, будет в 1,5 – 2 раза ниже существующих зарубежных аналогов при лучших качественных характеристиках, что позволит составить бесспорную конкуренцию зарубежной продукции.  На настоящий момент спрос на нананоматериалы значительно превышает предложение, что позволит проекту занять достаточно большую долю рынка. Согласно маркетинговым исследованиям, для Российской Федерации наноматериалы с высокими качественными показателями при сравнительно невысокой цене также представляют большой интерес.  Имеется заказ на поставку нанопопрошков металлов в США на общую сумму 100 млн. долл., а также ряд заказов из других стран, что обеспечит устойчивое получение прибыли от реализации проекта..  Таким образом, к концу 2009 г. чистая прибыль по проекту составит порядка 50 млн. долл.

Экономические конкурентные преимущества

Наноразмерные материалы:

·  Нанопорошки металлов и химических соединений – низкая себестоимость цена 60 - 100 $ 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. $.

Основные преимущества данного проекта:

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.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Предлагаемый проект отвечает всем требованиям экологической безопасности.

Реализация проекта обеспечит долгосрочный энергосберегающий и ресурсосберегающий эффект.

При использовании наноструктурных материалов и соединений  ресурс работы технологического оборудования повышается до 2х раз, снижаются энергозатраты, что дает экономический эффект.

Новые потребительские свойства продукции

• 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 800-1100 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.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Материал соответствует требованиям государственных стандартов РФ, изготавливаться с соблюдением санитарно-эпидемиологических норм.

Стадия и уровень разработки

Внедрение технологии проводится на малых предприятиях, основанных на базе ТНЦ СО РАН.

Предлагаемые инвестиции

0,250 млн. руб.
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 – до конца 2009 г.
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.

Рынки сбыта

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 100 000 $. А для приготовления присадок в Китае, необходимо произвести и поставить около 3-х тонн нанопорошков ежегодно. Компания Umicor (Бельгия) предполагает за пять лет приобрести в Томске до 10 тонн нанопорошка цинка. Для обеспечения спроса предприятий Сибирского региона в металлоплакирующих присадках необходимо не менее 750 кг нанопорошков мягких металлов ежегодно.
Объем реализации керамических субмикронных порошков составит не менее 175 т. /год.
Платежеспособный спрос на присадки к моторным маслам только в Западно-Сибирском регионе достигнет 10000 л (50000 флаконов).
Объемные наноструктурные материалы:
По данным BCC Market Research (2002), только рынок США по функциональным, конструкционным керамическим изделиям сложной формы в будет составлять в 2006 г. - US$ 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.

Возможность и эффективность импортозамещения

Ожидаемое в 2005-2010 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. Использование новейших разработок ТНЦ СО РАН позволяет производить продукцию высокого качества при достаточно низкой цене. В среднем стоимость продукции будет в 1,5 – 2 раза ниже существующих зарубежных аналогов при лучших качественных характеристиках.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

25.12.2007