Результаты исполнения Государственного контракта № 16.552.11.7014
от 29 апреля 2011 г.

Государственный контракт от 29 апреля 2011 г. № 16.552.11.7014 является основанием для проведения НИР по теме: «Развитие центром коллективного пользования научным оборудованием «Исследования наноструктурных, углеродных и сверхтвердых материалов» (ЦКП ФГБНУ ТИСНУМ) комплексных исследований в области конструкционных наноматериалов на основе углерода и наноуглерода», выполняемой в рамках мероприятия 5.2 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Целью НИР является:
  • проведение силами ЦКП ФГБНУ ТИСНУМ комплексных исследований в области создания новых конструкционных наноматериалов на основе углерода и наноуглерода с целью обеспечения ускоренного развития опытно-конструкторских и опытно-технологических работ в Российской Федерации по созданию нового поколения углеродных материалов для машиностроения, электронной, атомной и медицинской промышленности и повышению конкурентноспособности на мировом рынке высоких технологий;
  • проведение поисковых научно-исследовательских работ в области технологии синтеза, наноструктурирования и диагностического сопровождения разработок новых конструкционных наноматериалов на основе углерода и наноуглерода и углеродсодержащих систем для наноиндустрии и получение значимых научных результатов;
  • научно-методическое и приборное обеспечение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ, проводимых организациями Российской Федерации, с предоставлением возможности использования в режиме коллективного пользования оборудования и методов научных исследований, разработанных или освоенных ЦКП;
  • предоставление научно-исследовательским организациям и промышленным компаниям новых и эффективных методов и средств проведения исследований;
  • развитие материально-технической базы ЦКП путем дооснащения имеющихся специализированных комплексов или групп (лабораторий) приобретаемым научным оборудованием и развития новых методов выполнения измерений для обеспечения и развития исследований в форме коллективного пользования и содействия развитию сети ЦКП. За счет приобретения нового научного оборудования еще более расширить функциональные возможности ЦКП и выполнить на высоком научном уровне на оборудовании ЦКП комплекс проблемно-ориентированных структурных, механических, теплофизических, электрических и оптико-спектральных исследований фундаментального и прикладного характера новых, как сверхтвердых, так и перспективных конструкционных наноматериалов.

В процессе выполнения НИР был проведен аналитический обзор и анализа современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области функционирования и развития ЦКП; разработаны и обоснованы варианты отдельных технических решений заданий ГК, проведена их проверка на патентную чистоту.

Был разработан Перечень оборудования (технологического, научного, измерительного, эксплуатационного) для организации и обеспечения технологических процессов и технические требования к закупаемому оборудованию.

На каждом этапе Календарного плана проводились мероприятия по закупке научного оборудования для дооснащения ЦКП ФГБНУ ТИСНУМ современным прецизионным научным оборудованием и специализированными системами.

Также на каждом этапе проводилась модернизация и регулярное обновление сайта ЦКП.

На 1 этапе Календарного плана выполнены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. Патентные исследования и анализ литературных данных, относящихся к способам создания новых конструкционных наноматериалов на основе углерода и наноуглерода, позволили выбрать направление исследований и пути решения поставленных задач. В результате проведенных работ установлено, что наиболее перспективным способом создания новых конструкционных наноматериалов на основе углерода и наноуглерода является сочетание метода высокоэнергетической обработки, позволяющего диспергировать исходные компоненты вплоть до наноразмеров, и проводить смешивание нанокомпонент, с методикой высоких давлений и температур.

В процессе выполнения работ по теме «Проведение теоретических и экспериментальных исследований» на 2 этапе Календарного плана разработаны методики (Технические регламенты) и определены технические условия по обеспечению теоретических и экспериментальных исследований. Разработаны проекты технических условий на вещества (материалы), изготавливаемые по разрабатываемым технологиям.

Разработаны программы и методики исследовательских испытаний. Изготовлены для испытаний партии экспериментальных образцов материалов в условиях лабораторной реализации разрабатываемых технологий.

Проведены исследовательские испытания технологических режимов разработанных технологий и аналитические исследования свойств экспериментальных образцов материалов, полученных по разработанным технологиям.

Реализованы мероприятия по методическому, информационному и метрологическому обеспечению деятельности ЦКП. Разработан Регламент доступа к оборудованию ЦКП внешних пользователей. Разработана и утверждена Программа развития ЦКП «Исследования наноструктурных, углеродных и сверхтвердых материалов». Проведены мероприятия по расширению спектра услуг ЦКП. На сайте ЦКП размещены перечни услуг и их стоимости, методик и имеющегося в распоряжении ЦКП оборудования.

Собственная метрологическая служба ФГБНУ ТИСНУМ, созданная в 2008 году, и имеющая аккредитацию на право аттестации методик (методов) измерений, проведения метрологической экспертизы документов и на право выполнения калибровочных работ позволяет обеспечивать достоверность и единство измерений, выполняемых на оборудовании ЦКП ФГБНУ ТИСНУМ.

На 3 этапе Календарного плана был проведен целый комплекс как новых, так и дополнительных исследований:
  • в ЦКП изготовлены пробные партии образцов, согласно условиям ТЗ;
  • разработаны Программы и методики испытаний образцов и на оборудовании ЦКП проведены аналитические исследования пробных образцов из термоэлектрических материалов, синтетического алмаза, сверхтвердого углеродного, на основе С60, материала и опытных образцов ультратонких углеродных пленок.

Проведены мероприятия по расширению спектра услуг ЦКП ФГБНУ ТИСНУМ. Расширение перечня услуг связано с введением в эксплуатацию нового оборудования, закупленного и закрепленного за ЦКП, разработкой методик измерений и развития метрологического обеспечения проводимых в ЦКП исследований. На сайте ЦКП размещены обновленный перечень услуг и их стоимость, методик и регламент досупа к имеющемуся в распоряжении ЦКП оборудованию.

Значительная часть работ, проведенных в рамках этих мероприятий, осуществлена за счет ВБС. К ним относятся мероприятия по закупке дополнительного оборудования для чистой комнаты, разработка методик проведения измерений в чистой комнате и работы по метрологическому обеспечению оборудования, технологических комплексов и систем в чистой комнате.

Также за счет ВБС проведены пуско-наладочные работы и монтаж станции высокочистых газов для обеспечения научных исследований, технологических и сертификационных работ.

На каждом этапе НИР Перечень услуг ЦКП ФГБНУ ТИСНУМ актуализировался с учетом проведенных мероприятий и работ по развитию ЦКП.

Разработана и утверждена Программа развития ЦКП «Исследования наноструктурных, углеродных и сверхтвердых материалов». Программа развития включает перечень показателей, достигнутых в 2011 году и достижение которых планируется до 2015 года.

На 4 этапе Календарного плана разработаны рекомендации об использовании полученных результатов, в том числе в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках. Проведена оценка рыночного потенциала полученных результатов.

В целях обеспечения проведения исследований в интересах внешних пользователей проведена корректировка технической документации, доработка программ и методик испытаний на оборудовании по результатам опытной эксплуатации и проведенных исследований.

Значимые результаты исполнения НИР:

Разработанные измерительные методики и лабораторные технологические регламенты позволили обеспечить выполнение обязательств Российской Федерации по двухстороннему научно-техническому сотрудничеству с США по принятым проектам:

Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики с Арагонской национальной лабораторией, Чикаго (Соглашение о сотрудничестве между Арагонской национальной лабораторией и ФГБНУ ТИСНУМ от 03.05.2011).

Тематика была предложена на рассмотрение рабочей группы по нанотехнологиям двухсторонней (Россия–США) президентской комиссии по науке в апреле 2010 г. Проект был принят на заседании рабочей подгруппы по направлению «Нанотехнологии» Российско-Американской Президентской комиссии 04 апреля 2011 г.

Цель проекта - разработка технологии производства синтетических алмазов предельного структурного совершенства и изготовление на их основе зеркал – основных элементов резонатора лазеров на свободных электронах осцилляторного типа на базе источников ондуляторного синхротронного излучения (СИ) для рентгеновского диапазона длин волн ~0.1÷1нм, а также элементов рентгеновской оптики для создания сверхярких источников рентгеновского излучения.

Предложено принципиально новое применение искусственно выращиваемым кристаллам алмаза высокого структурного совершенства, которое связано с созданием на их основе сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа и разработка технологии изготовления рентгеновской оптики нового поколения для работы с мощным когерентным излучением.

Для аттестации и измерения параметров алмазных зеркал и рентгенооптических элементов на базе ЦКП ТИСНУМ создан лабораторный диагностический комплекс с возможностями, ранее реализуемыми только в центрах СИ. Это рентгенографический комплекс исследования топографии на базе рентгеновского источника XRT-100 RIGAKU/Fuji-Film (Япония).

С применением методов рентгеновской топографии, рентгеновской дифрактометрии, комбинационного рассеяния света (КРС), поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной области (УФ и ИК) спектра на оборудовании ЦКП исследованы образцы высокочистых синтетических алмазов типа IIa. Проведена оценка структурного совершенства монокристаллов синтетического алмаза по анализу полуширин кривых дифракционного отражения с точностью 3 угловых секунд для медного анода. Методом рентгеновской топографии с разрешением ~1мкм определены типы дефектов в монокристаллах алмаза. На основании результатов выбраны наиболее бездефектные образцы.

В результате проведенных работ на высокосовершенных кристаллах синтетических алмазов типа IIa, выращенных в ТИСНУМ, впервые в мире получено рекордное значение коэффициента отражения, равное 98% для рентгеновского излучения с энергией 23,7 кэВ, что хорошо согласуется с теоретическими расчетами американских ученых.

Основной результат проведенных работ – технология изготовления алмазных пластин (зеркал) с высоким коэффициентом отражения жесткого рентгеновского излучения для резонаторов ЛСЭ с целью получения генерации когерентного рентгеновского излучения в диапазоне длин волн ~0.5÷10 Å в форме импульсов длительностью ~10-14÷10-15 с и рекордной яркостью, существенно превышающей яркость существующих источников СИ.

В ФГБНУ ТИСНУМ разработана технология производства и обработки высокосовершенных кристаллов алмаза, а в ЦКП создан диагностический комплекс для аттестации и измерения параметров рентгенооптических элементов нового поколения в лабораторных условиях. Создание лабораторного диагностического комплекса на базе ЦКП ТИСНУМ позволяет в лабораторных условиях разрабатывать новые и использовать существующие методики, применяемые сейчас только в синхротронных центрах, в частности проводить интегрально измерение коэффициента отражения для узкого спектрального диапазона рентгеновских длин волн, что требуется для определения пригодности алмазных пластин в качестве зеркал резонатора ЛСЭ.

В рамках работ по государственному контракту от 29 апреля 2011 г. № 16.552.11.7014 были разработаны измерительные методики и технологические процессы, которые должны обеспечить:

1) Разработку технологических процессов получения термоэлектрических материалов, предназначенных для преобразования энергии, с принципиально новой структурой и потребительскими свойствами, превосходящими мировой уровень:
  • Технологии получения наноструктурированных термоэлектрических материалов p- и n-типов на основе Bi2Te3, Sb2Te3 и их сплавов, с добротностью ZT>1,1 (р-типа) и ZT>0,9 (n-типа), эксплуатационными свойствами (прочностью) >100 МПа;
  • создание технологической линии.

Одним из наиболее перспективных направлений применения наноматериалов являются термоэлектрические приборы, служащие для преобразования тепловой энергии в электрическую. Наноструктурированные (НС) термоэлектрики демонстрируют кпд, сравнимые с традиционными тепловыми машинами для генерации электроэнергии. Их применение, например, позволит существенно сократить потери тепла (которые составляют ~66%) в промышленности. Поэтому разработка эффективных технологических решений для производства таких материалов является актуальной.

Недавно несколько исследовательских групп продемонстрировало теоретически и экспериментально принципиальную возможность существенного повышения ZT различными способами. Существенным моментом является то, что, во всех случаях ZT>1 материал является наноструктурированным.

В ходе выполнения государственного контракта от 29 апреля 2011 г. № 16.552.11.7014 в ЦКП ТИСНУМ разработана технология получения объемных НС материалов р-типа, которую планируется довести до уровня заводской технологии и изготовления экспериментальных образцов ТЭ материалов с ZT>1,20 и изготовления ТЭ охлаждающих модулей из этих материалов.

Основные трудности в получении высокоэффективных НС-ТЭ материалов были преодолены благодаря использованию передовых нанотехнологий с применением современного технологического оборудования для спекания порошков с наноразмерными зернами. Для этих целей самыми перспективными являются:
  • спекание в условиях искрового плазменного разряда (метод ИПС);
  • консолидация методом горячего прессования в диапазоне давлений 1,0÷2,5 МПа.

Согласно заданию, на этапе 3 выполнения работ НИР в ЦКП были изготовлены пробные партии образцов объемных термоэлектрических материалов с нано-, микро- и субмикронными элементами структуры на основе соединений АV2ВVI3 р-типа методом искрового плазменного спекания и методом горячего прессования и на оборудовании ЦКП проведены аналитические исследования этих образцов.

Разработанные измерительные методики и лабораторные технологические регламенты конкурентоспособны по сравнению с технологиями мировых и российских производителей термоэлектрической продукции (компания Криотерм, компания PMT) в части получения у разрабатываемых термоэлектрических материалов значения термоэлектрической добротности ZT >1,20 у р-типа и >1,0 у n-типа, а также широкого применения разработанных методик в научно-исследовательских организациях и фирмах производителях наукоемкой продукции с целью повышения её конкурентоспособности на мировом рынке.

2) Разработку технологии получения уникальных монокристаллических алмазных пластин высокой химической чистоты и высокого кристаллического совершенства для создания на их основе изделий, не имеющих мировых аналогов. Разрабатываемые изделия позволят: улучшить качество жизни и здоровья населения; получить новые знания; повысить обороноспособность; повысить престиж отечественной науки и техники.

Результаты, достигнутые ФГБНУ ТИСНУМ в ходе выполнения государственного контракта от 29 апреля 2011 г. № 16.552.11.7014 позволяют утверждать, что наш институт – мировой лидер в производстве и исследованиях синтетических монокристаллов алмаза.