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.

Три порошка составляют около 80% всех порошков оксидов металлов.

Кремнезем

Титания

Глинозем

Прочие оксиды 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.

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

Ряд важных порошков производится в меньших количествах. В предыдущих разделах часто упоминались следующие порошки.

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.

5.2 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.

5.3 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.

Размеры производимых порошков

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.

Тесные торговые взаимоотношения в рамках региона затрудняют определение объема производства и потребления в отдельных странах. В таблице 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