Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Северо-Кавказский государственный технический университет”

Кафедра НТМЭТ

Реферат на тему:

«Нанопорошки: описание и объемы производства»

Выполнил студент гр. НЭ-041

Белашов И.А.

Проверил Родный А.А.

г. Ставрополь, 2008

Описание нанопорошков

Нанопорошки - только один из многих имеющихся на сегодняшний день наноматериалов. Большинство из них, такие как, например, дендримеры, фуллерин, нанотрубки, нанопрокладки и нанопоры, производятся из ограниченного количества видов сырья. А нанопорошки можно производить из сотен различных материалов. Все наноматериалы, которые производятся в настоящее время, подразделяются на четыре группы: оксиды металлов, сложные оксиды (состоящих из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси. Оксиды металлов составляют не менее 80% всей производимых порошков. Порошки чистых металлов составляют значительную и все возрастающую долю всего объема производства. Сложные оксиды и смеси имеются в ограниченном количестве. Однако ожидается, что их использование возрастет в долгосрочной перспективе.

Диаграмма 1. Разбивка нанопорошков по типам

Оксиды металлов

Три порошка составляют около 80% всех порошков оксидов металлов.

Кремнезем

Титания

Глинозем

Прочие оксиды металлов

Диаграмма 2. Разбивка производства оксидов металлов

Кремнезем--SiO₂

Диоксид кремния, или кремнезем, - это нанопорошок, которого производится больше всего в мире, - 40% всего объема производства нанопорошков. Широко используемый в электронике и оптике, диоксид кремния также широко применяется в обрабатывающей промышленности как абразив, краска и пластический наполнитель, покрытие и грунтовка для строительных материалов, а также как водоотталкивающее средство.

Титания--TiO₂

Диоксид титана, также известный как титания, составляет более 80% всего мирового производства нанопорошков. Также в основном используемый в обрабатывающей промышленности для производства красок, защитных покрытий, абразивов и полировки, этот материал играет важную роль в оптике как фотокатализатор и покрытие линз, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Диоксид титана все больше и больше используется в области экологии, например, при очистке сточных вод, в воздушных фильтрах. Кроме того, они также применяется в производстве строительных материалов, косметики, пластмасс, печатных красок, стекла и зеркал, а также для уничтожения боеголовок химических ракет.

Кремнезем--Al₂O₃

Составляя приблизительно 15% годового объема производства нанопорошков в мире, оксид алюминия, или кремнезем, в основном используется в обрабатывающей промышленности как абразив, для струйной очистки, притирки и полировки, особенно в электронике и оптике. Кроме этого, он используется для очистки воздуха, в качестве катализатора, в конструкционной керамике и для производства конденсаторов.

Диаграмма 3. Годовое производство основных оксидов металлов, тонны

Диаграмма 4. Годовое производство основных оксидов металлов, млн. долл. США

Остальные 21% в основном приходятся на следующие семь порошков - оксиды железа, цинка, церия, циркония, иттрия, меди и магнезию.

Диаграмма 5. Годовое производство остальных оксидов металлов, тонны

Диаграмма 6. Годовой объем производства оксидов остальных металлов, млн. долю США

Ряд важных порошков производится в меньших количествах.

Оксид неодимия--Nd₂O₃

Оксид неодимия, используемый исключительно в электронике и оптике, применяется в керамических конденсаторах, в люминофорах для цветных телевизоров, угольно-дуговых электродах, NdFeB магнитах и для вакуумного напыления. Он также находит ограниченное применение в высокотемпературных глазурях и пигментах для стекла.

Оксид европия--Eu₂O₃

Оксид европия, используемый почти исключительно в электронике и оптике, употребляется в люминофорах для цветных телевизоров и рентгеновских экранов, для вакуумного напыления и в графитовых стержнях в ядерных реакторах.

Оксид диспрозия--Dy₂O₃

Являясь важным оксидом для электроники и оптики, оксид диспрозия используется для производства дю-стекла, NdFeB магнитов и оптической магнитной памяти, а также в галогеновых и металлических галогенидных лампах. Он также применяется в железо-иттриевом и алюминиево-иттриевом гранате в ядерной энергетике.

Порошки чистых металлов

Почти все твердые металлические элементы выпускаются серийно в виде порошков чистых металлов. Промышленное применение многих из них нуждается в дальнейшем развитии. Затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты значительно выше, чем на производство оксидов металлов. По объему производства лидируют пять порошков - порошки железа, алюминия, меди, никеля и титана.

Драгоценные металлы и кремний производятся в небольших объемах. Их многочисленные способы применения требуют низкой концентрации, однако, по мере того как расширяется их применение, мировое производство должно вырасти.

Металлическое серебро--Ag

Металлическое серебро находит широкое применение во многих отраслях. С давних времен оно использовалось в электрических контактах и проводящих пастах в электронике. Антибактериальные и антивирусные свойства серебра сделали его привлекательным для использования в косметологии и фармацевтике, а также в текстильной отрасли, в чистящих прокладках, стоматологии и в качестве санитарных покрытий. Экологический сектор проявил заинтересованность в использовании серебряных наночастиц в воздушных фильтрах и в качестве катализатора.

Металлическое золото--Au

Хотя золото составляет лишь небольшую часть общего объема мирового производства нанопорошков в год, оно широко используется в электронике в качестве покрытия проволочных контактов, гальванопокрытий и защиты от инфракрасного излучения. В области энергетики и экологии золото используется в химических элементах и в качестве катализатора. В последнее время золото стало применяться в медицине в качестве маркеров ДНК.

Металлическая платина--Pt

Платина в основном используется в электронике и в качестве катализатора. Она играет важную роль в топливных элементах, деталях автомобилей, переработке нефти, медицине и стекловолокне.

Кремний--Si

Кремний широко используется в электронике в качестве основного компонента полупроводников, микросхем и солнечных элементов. Он также играет важную роль в металлургии как отвердитель железа и сплавов, а также добавка для получения жаропрочности. Кроме того, он используется в керамике, сварочных прутках, пиротехнике, артиллерии, производстве цемента и абразивов.

Смеси и сложные оксиды

Сложные оксиды, такие как сурьмяно-оловянный оксид и индие-оловянный оксид, составляют небольшую долю объема производства. В противоположность оксидам металлов и порошкам чистых металлов, производится небольшое количество сложных оксидов. Смеси более разнообразны, хотя они в высшей степени специализированы и объем их производства крошечный по сравнению с оксидами металлов и порошками чистых металлов.

Сурьмяно-оловянный оксид--Sb₂O₃/SnO₂

Используемый исключительно в электронике и оптике, сурьмяно-оловянный оксид является важным компонентом дисплеев благодаря своему антистатическому эффекту, способности поглощать инфракрасную часть спектра и светопроводимости.

Индие-оловянный оксид--In₂0₃/Sn0₂

Как и сурьмяно-оловянный оксид, индие-сурьмяный оксид является важным компонентом современных дисплеев. При всем многообразии его возможных применений этот оксид в основном используется для создания проводимого и прозрачного покрытия.

Нитрид кремния--Si₃N₄

Нитрид кремния обычно используется в производстве турбин, деталей двигателей, фундамента машин, жаропрочных и теплоизоляционных материалов, а также тепло- и коррозиеустойчивых зажимов.

Титанат бария-- BaTi0₃

Титанат бария является коммерчески значительной наносмесью, используемой в электронике для производства запоминающих устройств, диэлектрических усилителей и сегнетоэлектрической керамики.

Наноалмазы--C

Наноалмазы используются почти исключительно в обрабатывающей промышленности, обычно для нанесения прочных покрытий на полирующие и режущие инструменты и сверла, а также смазывающих и износостойких покрытий. При добавлении к стали наноалмаз повышает ее сопротивление коррозии. Производство полупроводников потребляет небольшую часть объема произведенных алмазов.

Вольфрамово-кобальтовый карбид --WC/Co

Вольфрамово-кобальтовый карбид широко используется для увеличения срока службы инструментов, особенно металлообрабатывающих и добывающих.

По определению наночастицы должны иметь диаметр менее 100 нм. Почти половина порошков имеет диаметр менее 30 нм. Девять процентов порошков, относящихся к группе «нано», имеют диаметр более 100 нм. Большинство производителей предлагают порошки диаметром от 5 до 100 нм. Размер частиц не так важен, как чистота и однородность, при определении цены.

Диаграмма 13. Обычные размеры частиц с разбивкой по материалам

Ведущие страны по технологиям наночастиц

Тесные торговые взаимоотношения в рамках региона затрудняют определение объема производства и потребления в отдельных странах. В таблице 1 даны страны по регионам.

Таблица 1. Ведущие производители и потребители по регионам

Северная Америка

Соединенные Штаты отличаются самым большим объемом производства и потребления. Благодаря щедрой поддержке правительства, IPOs и высокой заинтересованности потребителей, американские производители занимаются как научными исследованиями, так и коммерческим производством. Почти все типы нанопорошков, и все порошки, включенные в данное обследование, поставляются хотя бы одним американским производителем. США обеспечивают Европу и, в меньшей степени, Азию многими порошками, необходимыми для промышленности. До сих пор Национальная нанотехнологическая инициатива осуществлялась успешно; производство и потребление, согласно прогнозам, будут расти все быстрее и быстрее.

В Канаде, особенно в провинциях Онтарио и Квебек, располагается большое число производителей и потребителей нанопорошков. В дополнение ко многим ведущим в промышленном производстве нанопорошкам, в Канаде производится широкое разнообразие экзотических редкоземельных оксидов и порошков чистых металлов.

В обеих странах имеются значительные залежи наиболее важного сырья, за исключением некоторых редкоземельных элементов, импортируемых из Китая и Японии. Двусторонняя торговля между США и Канадой находится на высоком уровне благодаря НАФТА (САССТ) и другим торговым соглашениям. Поэтому обе эти страны можно объединить в один регион - Северная Америка.

Европа

Европейский Союз, в который входят все страны-производители порошков, за исключением Швейцарии, долго принимал законодательство, необходимое для развития нанотехнологий. Некоторые государства-члены ЕС, такие как Германия и Соединенное Королевство, на раннем этапе разработали свои собственные инициативы и сейчас являются движущей силой европейских научных исследований, производства и потребления нанопорошков. В ЕС нет крупных месторождений сырья. Хотя в настоящее время это не является препятствием для производства нанопорошков, впоследствии такой дефицит может дорого обойтись европейским производителям, поскольку крупные поставщики увеличивают внутреннее производство.

В общем, чем севернее расположена страна, тем больше в ней интерес к нанотехнологиям. В Германии имеется много высококвалифицированных исследователей, хорошо финансируемых лабораторий и промышленных клиентов-энтузиастов. Германские производители порошков изготавливают несколько типов высококачественных порошков для биотехнологий. В настоящее время в британских университетах существуют программы на получение ученых степеней по производству и использованию нанопорошков. Британские компании предлагают широкий выбор порошков. Многие британские специалисты в настоящее время работают в США. Скандинавские страны переживают период повышенного интереса к каждому аспекту нанотенологий, что вдохновляет дальнейшие исследования. Ряд европейских стран, включая Швейцарию, производит ограниченные количества и ассортимент нанопорошков.

Ввиду наличия общих интересов, близости, объединенных инициатив и отсутствия торговых барьеров эти страны сгруппированы вместе в категории Европа.

Азия

Структура исследований и производства наноматериалов в азиатских странах имеет много различий. В Корее есть большое число производителей, выпускающих продукты, подобные американским. В Японии головные компании зачастую создают дочерние предприятия по производству порошков для внутреннего использования. Китай предпочитает строить большие региональные заводы, каждый из которых обладает мощным производственным потенциалом. Изобилие редкоземельных оксидов в регионе, даже в Японии, обеспечивает достаточно сырья для будущего применения в электронике. Несмотря на разногласия в прошлом, эти три компании, плюс несколько мелких компаний на Тайване, активно торгуют друг с другом.

Благодаря наличию полезных ископаемых, крупным внутренним инвестициям, многочисленным трудовым ресурсам и торговым преимуществам Китай может стать серьезным участником рынка наноматериалов в ближайшем будущем. Монополия Китая на многие редкоземельные ископаемые и недавно введенный 12% налог на экспорт нанопорошков может иметь отрицательные последствия для западных поставщиков и производителей.

Прочие

Ряд других стран немного занимаются наноматериалами. Израиль, Австралия и Южная Африка медленно наращивают внутреннее производство и потребление. Индия, крупный поставщик сырья, еще не приступила к крупномасштабным исследованиям и производству.

Торговля между регионами

На диаграмме 14 показаны различия между собственным производством и потреблением в каждом регионе. Избыток или недостаток в размере 20% или менее не имеет значения. Европа является чистым импортером, поскольку в ней не производятся некоторые важные порошки, такие как оксид церия. Северная Америка является чистым экспортером, поставляя ключевые порошки как в Европу, так и в Азию. Азия является крупным производителем порошков чистых металлов.

Список литературы

Данные взяты с сайта (http://abercade.ru/reports/nano)