книги / Проблемы науки о материалах и развитие высоких технологий в России

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Кафедра порошкового материаловедения Научный центр порошкового материаловедения

В.Н. Анциферов

ПРОБЛЕМЫ НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ

ИРАЗВИТИЕ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

ВРОССИИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2010

УДК 620

А74

Рецензенты:

член.-корр. РАН, д-р хим. наук, проф. В.Г. Бамбуров (Институт химии твердого тела УрО РАН);

д-р техн. наук, проф. А.М. Ханов (Пермский государственный технический университет)

Анциферов, В.Н.

А74 Проблемы науки о материалах и развитие высоких технологий в России: учеб. пособие / В.Н. Анциферов, академик РАН, д-р техн. наук, профессор. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 174 с.

ISBN 978-5-398-00473-1

Рассмотрены значимые проблемы материаловедения и его роль в современном мире. Приведены способы производства, свойства и области применения конструкционных материалов на основе сталей и сплавов, порошковых, нанодисперсных и керамических материалов, включая сверхпроводники. Представлены различные сценарии развития материаловедения, био-, нано- и информационных технологий в Российской Федерации. Обоснована необходимость создания системы долгосрочного прогнозирования и стратегического планирования.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, аспирантов, инженерно-технических и научных работников, специализирующихся в фундаментальных и прикладных областях порошковой металлургии и материаловедения.

УДК 620

ISBN 978-5-398-00473-1 © ГОУВПО

«Пермский государственный технический университет», 2010

2

Глава 1 РОЛЬ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

ИТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ВСОВРЕМЕННОМ МИРЕ

Сегодня конкуренция в создании и освоении новых материалов существует на международном уровне. Современные технологии приводят к расширению соответствующих отраслей промышленности, что, в свою очередь, создает потребность в новых материалах.

О значимости материалов и высоких технологий в современном мире свидетельствует то, что в США Национальный совет по новым материалам и технологиям возглавляет Президент США, и в России Совет по новым материалам, технологиям и образованию также возглавляет Президент России.

Основными областями применения новейших материалов в последнее время являются: энергосберегающие процессы, охрана окружающей среды, новые методы передачи информации, ядерная энергетика, космические аппараты, биотехнологии и т.д.

Все материалы можно разделить на две группы:

1) связанные с использованием специальных свойств и сферами применения – превращение и передача энергии или информации, ферромагнетики, фоторезисторы, материалы с высоким электрооптическим коэффициентом, сенсорные материалы, высокотемпературные материалы и т.д.;

2) конструкционные материалы и материалы потребительских товаров.

Материалы первой группы производятся в относительно малых количествах, цена их на единицу веса высока, области применения достаточно узкие. Материалы второй группы – материалы широкого рынка, производятся в больших количествах, относительно дешевы. Успешное применение новых материалов обеспечивается тесной связью производителя и по-

4

требителя, то есть согласованием фактических свойств, эксплуатационных условий и цены.

Развитие новых технологий, в том числе нанотехнологий и наноматериалов, определяет сегодня будущее стран, так же как и наличие природных ресурсов.

Рассмотрим роль технологических процессов и материаловедения в обществе, для чего сделаем отступление в область общественную, но с позиции естественника.

Согласно закону сохранения энергии общество, получая энергию Е, расходует ее на прямое жизнеобеспечение (производство продуктов питания, воды, света, транспорт, услуги и т.п.) и на непрямое, например на военные расходы и другие непрямые нужды. Но каков общий коэффициент полезного использования энергии в обществе? Чтобы это узнать, надо построить зависимость ВНП = f(E), где ВНП – валовой национальный продукт – величина сложная, вычислить которую без больших ошибок невозможно. С некоторыми допущениями вместо этой зависимости можно построить следующую:

D = f (E),

где D – среднегодовой энергетический доход на душу населения (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость среднего энергетического дохода, приходящегося на человека в год (единицы условные), от общего количества производимой энергии

5

Любопытно, что эта зависимость имеет общий универсальный характер.

На рис. 1 приведены данные для бывших СССР и НРБ на 1980 г., а также для всех других стран. Разумеется, эта зависимость меняется от года к году, но основная закономерность при этом сохраняется. Согласно прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА) спрос на энергию с 2005 по 2030 г. увеличится более чем в полтора раза и почти удвоится к 2050 г. (рис. 2).

Рис. 2. Прогноз энергопотребления и душевого потребления энергии

Конечно, во всех странах величина D прямо связана с ВНП. Поэтому существуют отклонения от кривой, изображенной на рис. 1, либо из-за сознательного занижения D (перекачка большей доли ВНП в непрямые расходы энергии – на военные нужды, расширение производства, резервирование производства и т.п.), либо, как в России, из-за теневой экономики.

6

Из кривых, приведенных на рис. 1, 2 видно, что для повышения уровня жизни общества есть два пути:

1.Всемерное увеличение производимой (или покупаемой) энергии (смещение вправо по оси E (см. рис. 1)), разработка энергосберегающих технологий.

2.Большая отдача обществу за счет сокращения некоторых прямых расходов (в основном военных) либо за счет увеличения КПД используемых технологий (энергетический кризис, цены на нефть).

Теоретически потребление энергии – термодинамический процесс, в котором энергия природного источника преобразуется в полезную форму, а затем рассеивается в виде уже низкотемпературного тепла. Коэффициент полезного действия любого термодинамического процесса не может превысить теоретический предел, определяемый вторым законом термодинамики.

В частности, максимальная доля энергии, которую можно превратить в работу, зависит исключительно от двух темпера-

тур: на выходе Т2 и входе Т1 энергетического преобразовательного устройства:

КПД = 1 – Т2/Т1.

Отсюда следует необходимость всемерного повышения Т1. Величина Т1 определяется рабочей температурой материала.

Таким образом, в данном примере усилия, затрачиваемые на материаловедческие работы, должны быть направлены на создание материалов, способных работать при высоких температурах.

Из диаграммы, приведенной на рис. 3, видно, что еще далеко не исчерпан и тривиальный подход к увеличению дохода в обществе – рост потребляемой энергии. Однако путь беспощадной эксплуатации внутриземных источников энергии неэкологичен. Безусловно, перспективны поиск и разработка новых источников энергии. К ним в первую очередь относятся

7

Полупроводниковые материалы дороги. Они требуют глубокой очистки от химических примесей, производства монокристаллов с совершенной кристаллической структурой.

Понимание электронной структуры полупроводников и ее связи с реальной структурой и свойствами вещества привели к созданию солнечных батарей на аморфном кремнии, что сразу снизило в 100 раз стоимость производства электроэнергии с помощью полупроводниковых преобразователей.

Полупроводники, по-видимому, не единственные материалы для твердотельных прямых преобразователей солнечной энергии в электрическую. Очевидно, среди композиционных полимеров и других материалов должны найтись проводящие и фоточувствительные.

Из сказанного следует, что и повышение КПД, и освоение новых источников энергии определяется усовершенствованием известных и созданием новых материалов, например сверхпроводящих при различных температурах.

Таким образом, разработка новых материалов объективно необходима для нормального развития общества.

Однако кроме технологической стороны развития человечества, которой уделено слишком много внимания (рис. 4), существуют социально-эколого-экономические проблемы, во многом определяющие будущее человека.

Для предсказания будущего делается немало попыток использовать научные подходы. При этом явления и закономерности, определяющие нашу жизнь, разбивают на две группы. К первой относятся события, подчиняющиеся эволюционным законам развития, по которым можно вычислить, что будет через месяц или несколько лет, ко второй – события, явления, которые происходят неожиданно и иногда противоречат устоявшимся представлениям. Несмотря на то, что за последние 3–4 века люди узнали о закономерностях природы больше, чем за предыдущие 100000 лет, наши знания относительны и открыть еще предстоит бесконечно много. Особенно непред-

9

сказуемы сложные системы, существование которых определяется многими факторами, в частности цивилизацией, человечеством.

Рис. 4. Инвестиции в материальные и нематериальные активы США (1959–2007)

За тысячу лет до новой эры на Земле было около 10 млн лю-

дей, в 1900 г. – 1,7 млрд, в 2000 г. – 6,25 млрд, в 2050 г., воз-

можно, станет 10 млрд. За исключением периодов крупных катастроф: эпидемий и войн – численность нарастала непрерывно и в перспективе может достигнуть десятков, а затем и сотен миллиардов. В не столь отдаленном будущем человечество неминуемо изменит ход развития. Но как, в каком направлении – вот основной вопрос.

Теория развития сложных систем разработана в последние десятилетия. Многовариантность, непредсказуемость характерны не только для неживой природы, но и для человеческого общества. В период, когда сложная система не может существовать по старым законам, она переходит в состояние нестабильности, хаоса. «Хаос порождает порядок, новый порядок», –

10