Нанотехнологии

Нанодисперсные и особо чистые материалы широко используются для решения важнейших фундаментальных и прикладных задач в наиболее наукоемких и инновационных областях российской экономики. Для синтеза этих материалов перспективно применение низкотемпературной плазмы, позволяющей получать нанопорошки и обеспечивающей минимальный аппаратурный фон по микропримесям.

Эффективная разработка плазмохимических процессов требует использования самых современных информационных технологий. Наиболее перспективной системой компьютерной поддержки является CALS-технология (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта). В основе концепции CALS лежит комплекс единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации. Ситуация на мировом рынке наукоемкой продукции развивается в сторону полного перехода на компьютерную технологию проектирования, изготовления и сбыта продукции. Отечественная наукоемкая продукция, не имеющая современного компьютерного обеспечения ее жизненного цикла (CALS-технология), будет существенно отставать от аналогичной продукции, изготовленной за рубежом в системе новых электронных технологий.

Создание эффективной информационной технологии для плазмохимического синтеза нанодисперсных особо чистых материалов в рамках концепции CALS и современных международных стандартов (ISO-10303 STEP) является актуальной научной и практической задачей, обеспечивающей уменьшение времени разработки, а также сокращение затрат на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт оборудования, снабженного компьютерной техничес-кой документацией в соответствии с требованиями международных стандартов.

Основные РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛУЧЕНЫ в рамках конкурсных проектов Минпромэнерго России № 0410.0810000.05.039д «Разработка индикаторов инновационного развития…», Минобрнауки России № 01.168.24.074 «Разработка интегрированного комплекса информационных технологий…» и Минпромторга России № 8411.0816900.13.057 «Комплексная оценка инновационного потенциала…», а также при частичной поддержке гранта Европейского Сообщества ECOPHOS № INCO-CT-2005-013359 «Waste utilisation in…».

Технология плазменного получения нанодисперсных особо чистых материалов находит все большее применение в современной промышленности. В химии особо чистых наноматериалов плазменная технология способна заменить неэкономичные, многостадийные высокотемпературные процессы. Промышленное использование плазменной технологии приводит к высвобождению производственных площадей и уменьшению трудозатрат.

Для создания информационной модели плазмохимического синтеза особо чистых наноматериалов используется, разработанная в «НИЦ CALS-технологий», система PDM STEP Suite 2.5. Применение международного CALS-стандарта для определения структуры данных и программных интерфейсов доступа, дает возможность параллельной работы с информацией из различных предметных областей, а также позволяет интегрироваться с любыми информационными системами. Такого потенциала для развития не представляет в настоящий момент ни одна другая PDM система.

Теория: CALS-проект плазмохимического синтеза нанопорошков ОСЧ.

На первом этапе данной работы был создан теоретический CALS-проект (рис. 1) в трех взаимосвязанных информационных сечениях: «нанотехнология» (наноматериалы); «плазмохимия»; «особо чистые материалы» (технология особо чистых веществ - ОСЧВ).

Рис. 1. Теоретический CALS-проект: «а – Нанотехнология; б – Плазмохимия; в – ОСЧ материалы».

В первой категории CALS-проекта («наноматериалы») показано, что нанотехнологии качественно отличаются от традиционных процессов, поскольку на таких масштабах (менее 100 нанометров) привычные макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления (пренебрежительно слабые на привычных масштабах) становятся намного значительнее. Нанотехнология – следующий логический шаг развития химии, микроэлектроники, биотехнологии и других наукоёмких направлений. Вся общая теоретическая информация структурирована в первой подкатегории: «нанотехнологии в России». Во второй подкатегории (виды наноматериалов) рассмотрены три основных класса нанообъектов (рис. 1-а): трёхмерные частицы; двумерные объекты (плёнки) и одномерные объекты (вискеры, нанотрубки). В третьей подкатегории приведены основные методы получения наноматериалов. Одним из перспективных методов получения трехмерных нанопорошков является плазмохимический синтез, рассматриваемый во второй категории CALS-проекта.

Во второй категории (плазмохимия) основной подкатегорией является «плазменный реактор». Приведены основные требования к реактору: получение достаточно полного смешения реагентов; обеспечение требуемой протяжённости зоны взаимодействия; создание условий эффективного тепло- и массообмена при минимальных теплопотерях. Рассмотрен вариант совмещения реакционной зоны с объёмом разряда (реактор открытого типа). В проекте рассмотрены схемы плазмохимических агрегатов со струйным реактором прямоточного типа и со встречными струями (рис. 1-б). В подкатегории «плазмотроны» приведены схемы дуговых плазматронов следующих видов: осевой; коаксиальный; с тороидальными электродами; двустороннего истечения; с внешней плазменной дугой; с расходуемыми электродами.

В третьей категории (особо чистые материалы) рассмотрены основные виды исходных высокочистых веществ (алкоголяты, хлориды и порошки), применяемые для плазмохимического синтеза. При получении веществ особой чистоты очень важно, чтобы побочный продукт синтеза не загрязнял целевые продукты и не вступал во взаимодействие с технологической аппаратурой, принимая на себя дополнительное количество примесей. Для решения этой задачи также перспективно применение низкотемпературной плазмы. Плазмохимическая технология включает в себя целый ряд узлов и технологических переделов. В подкатегорию CALS-проекта введены результаты исследований чистоты готового продукта от лимитирующих аппаратурно-технологических факторов: исходный реагент, плазмообразующий газ, аппаратура, стадия улавливания (фильтрующая ткань), стадия выгрузки и упаковки (рис. 1-в). Анализ этих данных показывает, что основное загрязнение в готовый продукт вносится на стадиях улавливания, выгрузки и упаковки.

CALS-проект технологии и аппаратурного оформления п/х процессов.

Для разработки плазмохимических процессов получения наноматериалов особой чистоты в рамках конструкторского CALS-проекта была создана типовая схема (протокол применения) - «Исходные данные на проектирование». Работы по конструкторскому CALS-проекту проводились совместно с проф. Ивановым М.Я. (France, Strasbourg).

В соответствие со стандартом по химической промышленности в структуру исходных данных входит 17 обязательных разделов. Все эти разделы занесены в CALS-проект. На экранной форме (рис. 2) дополнительные подпункты отображены только в разделе № 12 (данные для расчета и выбора технологического оборудования). Однако реально в CALS-проект занесена специфическая для химической промышленности информация по всем разделам.

Конструкторское электронное описание в соответствии со стандартом STEP (рис. 2) содержит структуру и варианты конфигурации изделия, геометрические модели и чертежи, свойства и характеристики составных частей. На элементе этой схемы приведена универсальная плазмохимическая установка, которая позволяет подавать в реактор (рис. 2-а) не только исходный твердофазный продукт посредством порошкового питателя, но и жидкофазные реагенты (хлориды и алкоксиды) с помощью специальной форсунки (рис. 2-б). Для этого CALS-проект установки (рис. 2) включает в себя дозатор для подачи порошков исходных материалов, распылитель для подачи плазмообразующего газа, фильтр для улавливания продукта (рис. 2-в) и плазмотрон.

Рис. 2. Элемент конструкторского CALS-проекта плазмохимической установки для синтеза наноматериалов (а – реактор, б – форсунка, в – фильтр).

Универсальность установки позволила получать на ней нанодисперсные соединения олова, железа, кремния, титана, вольфрама и др. Разработка проектной документации проводилась с применением программного обеспечения для автоматизированного проектирования «AutoCAD». Все единицы оборудования являются элементами CALS-проекта с соответствующими чертежами и спецификациями.

Термодинамическое моделирование плазмохимических процессов.

При термодинамическом моделировании предполагается, что рабочее тело в рассматриваемых процессах образует условно замкнутую, изолированную систему, в которой установилось локальное фазовое и химическое равновесие. Расчет равновесия изолированных многокомпонентных термодинамических систем сводится к задаче определения состояния, характеризуемого максимумом энтропии.

В общем случае газообразная система состоит из нейтральных и электрически заряженных (ионизированных) компонентов газовой фазы и отдельных конденсированных фаз. Для газовой фазы в целом и для каждого ее компонента в отдельности справедливо уравнение состояния идеального газа. Конденсированные фазы считаются однокомпонентными и несмешивающимися. Содержание в системе компонентов газовой фазы (i = 1,2,…k) и отдельных конденсированных фаз ( l = 1,2,...L) будем выражать в молях на единицу массы . Энтропия такой системы равна:

где S_i^(pi)^- энтропия i-го компонента газовой фазы при том парциальном давлении p_i = R_oTn_i / v, которой он будет иметь в равновесном состоянии S_l – энтропия конденсированной фазы l, зависящая только от температуры; v - удельный объем всей системы; S_i^O - стандартная энтропия i-го компонента газовой фазы при температуре T и давлении, равном 1 атм.

Определение параметров равновесного состояния заключается в нахождении всех зависимых переменных, включая числа молей компонентов и фаз, при которых величина S достигает максимума. Решение данной задачи - поиска экстремума энтропии системы с учетом уравнений связи проводилось с помощью программы «Астра-4», разработанной в МВТУ им. Н.Э. Баумана.