Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Кабели и нанотехнологии

Каково будущее кабельной продукции?

Кабельно-проводниковая продукция относится к «обреченным» на востребованность  продуктам производственной деятельности в силу ее специфического  функционального назначения  и обширности сферы практического использования.
Кабели и провода применяются для передачи информационных  сигналов или для осуществления электропитания в устройствах и системах всех мыслимых масштабов, от микроэлектроники до электроэнергетики;  в изделиях бытового и промышленного назначения, от мобильных телефонов до межконтинентальных транснациональных систем передачи и т. д. Требования к изделиям кабельно-проводниковой индустрии постоянно ужесточаются в соответствии с запросами потребителей, определяемыми спецификой традиционных и новых сфер применения, а также в соответствии  с эволюционирующими требованиями международных и национальных стандартов, связанных, в том числе, с безопасностью эксплуатации кабелей, особенностями их производства и переработки с учетом экологических норм и т. д. Все вышесказанное требует от разработчиков и изготовителей кабелей дополнительных затрат на разработки и приобретение новых материалов, новых технологических процессов и нового производственного оборудования. Эти затраты производитель вынужден закладывать в цену своей продукции.
Потребитель, в свою очередь, заинтересован в разумных величинах отношения цена/качество. Так интересы  производителей и потребителей вступают в конфликт. Естественно, что разработчики кабельной продукции постоянно ищут способы разрешения этого конфликта, но их возможности имеют очевидные практические ограничения. Основная часть технических требований к кабелям реализуется применением новейших материалов, в то время как конструкции кабелей,  за редкими исключениями, практически не изменяются, что подтверждается анализом новых патентов на кабели и провода и не только в России, но и за рубежом. За несколько последних десятилетий можно выделить лишь две группы кабельной продукции, где новшества носили принципиальный характер. В первую очередь, это относится к кабелям, в которых для передачи информационных сигналов используется оптическое волокно (кварцевое и полимерное). Следует заметить, что оптические кабели производятся во многих странах мира уже более трех десятков лет. При этом оптическое волокно для этих кабелей изготавливает небольшое количество компаний, и функциональные характеристики реально изготавливаемого волокна близки к теоретическому пределу. Так что нет оснований ожидать кардинальных новшеств в техническом уровне оптических кабелей (рис. 1).
Ко второй группе относятся кабели для нужд электроэнергетики, в проводящих элементах которых используется эффект высокотемпературной сверхпроводимости (рис. 2).

Большое значение практическому использованию сверхпроводимости для нужд электроэнергетики РФ уделяется руководством страны. Программа развития сверхпроводниковых технологий была включена в перечень приоритетных направлений в рамках Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России. В своем послании к Федеральному собранию в ноябре 2009 года Президент Дмитрий Медведев указал на необходимость внедрения технологий на основе сверхпроводимости в электроэнергетику.
Как важный шаг на пути решения указанных задач можно рассматривать прошедшую 23 марта 2010 года в Москве Всероссийскую научно-техническую конференцию «Прикладная сверхпроводимость — 2010». Что касается непосредственно кабелей с использованием проводников, обладающих сверхпроводимостью при (условно) высоких температурах, то, несмотря на интенсивные исследования и некоторые впечатляющие практические результаты, достигнутые за рубежом [2], пока не ясно, когда появится возможность производить такие кабели на экономически рентабельном уровне.
Поскольку конструктивно кабели включают проводящие элементы, а все остальные элементы конструкции обеспечивают возможность эксплуатации их в требуемых физических условиях, то только новые материалы для изготовления всех элементов конструкции кабелей, обладающие принципиально новыми фундаментальными свойствами, могут привести к созданию новейших поколений кабелей, которые будут удовлетворять требованиям разнообразных применений в будущем. В настоящее время единственным реально видимым путем получения таких материалов является  применение возможностей нанотехнологий в управлении физическими свойствами материалов на наноуровнях, что позволяет получать материалы co свойствами, недостижимыми при использовании других способов их изготовления.


Нанотехнологии — что это такое?


Понятие НАНОТЕХНОЛОГИЯ связано именно с возможностью формировать внутреннюю структуру материалов  в наномасштабных размерах, т.е. менять структуру материалов на атомном и молекулярном уровнях.
Достаточно общее определение дано в работе [3]: «Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами». Более кратко это формулируется [4] следующим образом:  «Нанотехнология — наука о построении молекулярных устройств из одиночных атомов».
На сайте американской компании American Elements [5] в кратком обзоре «Что такое Нанотехнология» вместе с определением понятия нанотехнология (общий термин, относящийся к материалам и устройствам, структура которых формируется в наномасштабных размерах),  кратко характеризуются основные нанокомпоненты, использование которых в комбинации с известными материалами позволяет создавать продукты, которые принято называть наноматериалами (рис. 3).

Несмотря на некоторые скептические оценки относительно  скорого наступления эры интенсивного практического использования нанотехнологий, уже в настоящее время наночастицы, нанопорошки и нанотрубки широко используются в промышленности, медицине, науке и даже в быту. Большая часть промышленно  используемых в настоящее время нанотехнологий основана на таких наночастицах.

Нанотехнологии — для чего?


Для применения в кабельной промышленности рассматриваются такие наноматериалы, как углеродные нанотрубки (УНТ), нанопровода, наноглины, нанопорошки, нанопена, металлические порошки, разбухающая пена, керамика, полимеры, превращающиеся в керамику, сшитый полиэтилен, полиамид, ПВХ, нейлон с наполнителями, фторполимеры, многослойные ленты и др. УНТ представляют собой наноразмерные цилиндрические трубки из графитированного углерода (рис. 4). Эти трубки могут иметь одну, две стенки или много стенок. УНТ являются самыми прочными из известных волокон, обладают уникальными электрическими свойствами. В зависимости от их структуры, УНТ могут вести себя как металлический проводник или полупроводник.  Область их применения обширна.

Базовым структурным элементом графита, УНТ и фуллеренов является графен — плоские, толщиной в один атом, элементы из атомов углерода, которые плотно упакованы в сотовую структуру кристаллической решетки (рис. 5).

Как и УНТ, наночастицы кремния и диоксида кремния, наночастицы меди и окиси меди, наночастицы индия и многих других веществ, которые могут быть сверхпроводниками, электрическими проводниками или полупроводниками, имеют большой потенциал практического применения в электронике, телекоммуникациях, высокоскоростных вычислительных устройствах и т. д. Области применения нанотехнологических принципов чрезвычайно разнообразны, и, возможно, с этим обстоятельством связано то, что нанотехнологии во многом являются эмпирическими сферами знаний. Вместе с тем, практические результаты в создании материалов с принципиально новыми свойствами открывают и новые возможности разработки кабельно-проводниковой продукции, которая опережающими темпами должна удовлетворять условиям ее применения в соответствии с текущими и перспективными техническим требованиями  и самыми жесткими стандартами. При этом массогабаритные параметры проводов и кабелей, их прочностные и эксплуатационные характеристики, как показывают практические достижения, смогут не только существенно превзойти современный  уровень, но реальна и возможность создания кабелей с принципиально новыми свойствами. Можно выделить два направления развития нанотехнологий, которые развиваются разными темпами. Первое — создание наноматериалов. В этом направлении работа интенсивно ведется в разных странах мира, получены важные и в теоретическом, и практическом аспектах результаты, представляющие интерес и для разработки новой кабельно-проводниковой продукции.
Второе — разработка функциональных наноэлементов и нано-устройств. Работы и в этом направлении проводятся в разных странах мира, однако, как можно предположить, до практически применимого уровня эти разработки могут быть доведены значительно позднее по сравнению с освоением в производстве новых кабелей с использованием наноматериалов. Очевидно, что практический потенциал нанотехнологий привлек внимание разработчиков кабелей к возможностям  применения наноматериалов в новой продукции, и на этом направлении уже есть реальные достижения. В то же самое время, второе направление относится к футуристическим, с неясными практическими и временными перспективами (временной разрыв, предположительно, может составить от 10 до 15 лет). Однако даже немногие достижения общего, принципиального характера в этом направлении дают основания предполагать реальным создание кабелей, существенно отличающихся от предлагаемых на кабельном рынке в настоящее время или новых кабелей, в конструкции которых используются и будут использоваться наноматериалы (рис. 6, 7).

Для перехода к практической реальности разработчики кабельной продукции должны постоянно следить не только за достижениями в области разработки новых наноматериалов и их возможностей, но и за созданием наноустройств, которые могут быть впоследствии применены в разработках кабелей новых поколений. Естественно, что и исследователи, занятые разработкой таких устройств, должны быть знакомы с задачами, которые стоят перед кабельно-проводниковой промышленностью.
В каком бы виде ни воплощались кабели, их функцией  остается передача информационных сигналов или электрической энергии в соответствии с комплексом технических и эксплуатационных требований, определяемых условиями их практической эксплуатации,  транспортировки, прокладки, монтажа, переработки и т.п.
Совершенствование кабельной продукции в настоящее  время осуществляется в основном за счет использования новых материалов, которые дают возможность создавать и производить новые кабели, отвечающие  современным требованиям по пожаростойкости, нормам на выделение при горении дыма, токсичных и коррозионно-активных веществ и др. Как показали практические достижения в области создания материалов с использованием нанотехнологий, их использование позволяет, в принципе, улучшить характеристики кабелей в комплексе.

«Севкабель-Холдинг» представил наноразработки
на собрании Ассоциации «Интеркабель»


«Севкабель-Холдинг» принял участие в работе 39-го собрания Международной Ассоциации «Интеркабель», состоявшегося в г. Лимассол 25-26 мая 2010 года. Компанию представили президент холдинга Геннадий Макаров, генеральный директор ОАО «Севкабель» Вячеслав Ченцов, заместитель директора НИИ «Севкабель» по развитию Антон Ващилло. В ходе программы научно-технического симпозиума в рамках  проведения Ассоциации специалисты холдинга выступили с докладом на тему: «Нанотехнологии в кабельной промышленности. Состояние, проблемы, перспективы». Доклад был посвящен итогам работы, которую ведет наноцентр кабельной промышленности, созданный на базе НИИ «Севкабель». Слушателям были представлены исходные  наноматериалы и кабельно-проводниковая продукция, полученная с их использованием.
Особый интерес вызвали работы, связанные с наномодифицированными электротехническими и электроизоляционными лаками, которые ведет завод «Микропровод» в сотрудничестве с ФТИ им. Йоффе РАН, а также совместная работа НИИ «Севкабель», заводов «Агрокабель» и «Севкабель» с участием ряда ведущих научных организаций  РАН по созданию проводов для ЛЭП с противообледенительной системой. В рамках рабочих встреч были обсуждены вопросы, касающиеся использования нанотехнологий для повышения износостойкости технологического инструмента, применяемого в производстве кабельной  продукции, достигнуты договоренности о расширении сотрудничества в данном направлении, особенно в части замены дорогостоящего твердосплавного инструмента и инструмента с использованием технических алмазов.
По словам заместителя директора НИИ «Севкабель» по развитию Антона Ващилло, доля скептицизма, с которым кабельная отрасль встретила возможность использования нанотехнологий и материалов для улучшения потребительских  свойств продукции и повышения производительности ее выпуска, снижается по мере ознакомления с конкретными результатами. «Положительно и то, что холдинг в очередной раз подтвердил свои лидерские позиции в практическом применении инноваций в кабельной отрасли», – подчеркнул он.

Государственные компании и программы нанотехнологий в России


1. ГК «Роснанотех»
Государственная корпорация Российская корпорация нанотехнологий (сокращенно ГК «Роснанотех») создана в Российской Федерации в соответствии с Федеральным законом «О Российской корпорации нанотехнологий» № 139- ФЗ от 19 июля 2007. Корпорация содействует реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, финансируя инвестиц ионные проекты по производству нанотехнологической продукции, содействует развитию инфраструктуры в сфере нанотехнологий и поддерживает программы подготовки и переподготовки кадров. 26 апреля 2010 года в Рыбинске открылся завод по производству монолитного твердосплавного инструмента с многослойным наноструктурированным покрытием. Это первое нанотехнологическое производство в России. «Роснано» потратила на финансирование этого проекта около 500 млн рублей.

2. ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии»

Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры  наноиндустрии в Российской Федерации на 2008—2010 годы» утверждена Постановлением Правительства РФ от 2 августа 2007 № 498. Цель программы:

Объем финансирования в рамках программы — 27,7 млрд руб. Программой назначены головные организации отраслей по направлениям развития нанотехнологий:
Наноэлектроника (в части прикладных и ориентированных научно-исследовательских опытно-конструкторских работ) — ФГУП «НИИ физических проблем им. Ф. В. Лукина». Наноинженерия — Московский государственный институт электронной техники (технический университет). Функциональные наноматериалы для энергетики — ФГУП «Всероссийский НИИ неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара».
Функциональные наноматериалы для космической техники — ФГУП «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша». Нанобиотехнологии — ФГУП Российский научный центр «Курчатовский институт».
Конструкционные наноматериалы — ФГУП «ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей»» и ФГУП «Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов».
Композиционные наноматериалы — ФГУП «Всероссийский НИИ авиационных материалов».
Нанотехнологии для систем безопасности — ФГУП «Центральный НИИ химии и механики».

Нанотехнологии — какова их роль
в кабельной промышленности?


К числу первых публикацией, в которых рассматривались  возможности использования для производства кабелей материалов, изготавливаемых методами нанотехнологий, можно отнести статью Х. Чизмика «Нанотехнологии для оптимизации и конструирования специальных кабелей» [6], см. также [7]. На сайте RusCable.Ru был помещен обзор «Нанотехнологии — перспективы для кабельной отрасли». Обширная статья, в которой с системной точки зрения анализировались возможности применения нанотехнологий для создания новой кабельно-проводниковой продукции,  формулировались соответствующие нанотехнологические задачи и приводились, в качестве оснований для оптимизма, некоторые практические достижения нанотехнологий, имеющие отношение к разработке новых поколений кабелей, была опубликована в сентябре 2009 года [8]. За истекшее время появились  публикации, подтверждающие практическую перспективность использования методов и достижений  нанотехнологий для нужд кабельной промышленности. Это явилось стимулом для актуализации работы [8], представленной в настоящей статье.
В конструкциях современных кабелей для изготовления  изолирующих, защитных и упрочняющих элементов широко используются полимеры, в том числе с различными наполнителями. Создание различных нанонаполнителей, в том числе наноглин, сделало возможным  создание нанокомпозитов глина/полимер (рис. 8). Полимерные нанокомпозиты являются новым классом материалов, являющихся альтернативой обычным полимерам с наполнителями [9], поскольку обладают улучшенными механическими характеристиками по сравнению с чистыми полимерами (прочность на разрыв увеличивается на 40%), большей термостойкостью и повышенной химической стойкостью. Причем такие результаты достигаются при добавлении всего лишь 0,1 — 10% общего объема материала.

Не менее важной особенностью нанокомпозитов является их способность существенно улучшать устойчивость  материалов к возгоранию, сопротивление распространению огня, снижать количество выделяемых при горении вредных веществ.
Наноглины относятся к наполнителям для нанокомпозитов, которые обеспечивают повышенную пожаростойкость изоляции и защитных оболочек кабелей. Однако глины могут оказывать отрицательное влияние на пластификаторы, которые используются в гибком ПВХ. Как одно из решений этой проблемы рассматривается  использование пластификатора, частицы которого покрываются наноглиной. Для повышения пожаростойкости и защиты от воздействия ультрафиолетового излучения ПВХ также могут использоваться наноразмерные оксиды.
История практического использования нанокомпозитов началась в 1990 году, когда компания «Тойота» впервые применила  нанокомпозиты глина/нейлон. За ней последовали Mitsubishi и General Motors. В дальнейшем область применения полимерных нанокомпозитов расширилась, в настоящее время они считаются перспективными материалами и для изготовления кабелей. Несколько типов полимерных нанокомпозитов с различными размерами наночастиц могут рассматриваться в качестве перспективных для изготовления кабелей. Это глина/полимер, металл/полимер и углеродные нанотрубки (УНТ).
Использование УНТ в качестве наполнителей в качестве упрочняющих (нано)волокон позволяет придавать полимерным матрицам уникальные электрические и механические свойства.
УНТ являются различными структурными модификациями  углерода с наноструктурой, для которой отношение длина/диаметр может достигать величины 28x106 : 1, что значительно больше по сравнению с любыми другими материалами [9]. Эти цилиндрические молекулы обладают новыми свойствами, открывающими  перспективы использования УНТ во многих практических применениях, в том числе и для нужд кабельной промышленности.

Исследованиям в области развития технологий получения одностеночных и многостеночных (концентрическая сборка одностеночных УНТ) УНТ уделяется большое внимание во многих странах (рис. 9). В настоящее время ряд компаний продают УНТ, обладающие свойствами металлов и полупроводников. Пока нанотрубки доступны в ограниченных количествах. Следует отметить, что УНТ предлагается как сырье, в то время как производство нанотрубок с заданным диаметром,  длиной и определенными электрическими свойствами в промышленных масштабах — дело будущего.  В мире активно ведутся исследования, направленные на решение этой проблемы. К представляющим интерес для кабельной отрасли направлений исследований по применению УНТ является работа по упрочнению кевлара, являющаяся следствием интереса к возможности создания сверхпрочных, обладающих уникальными характеристиками полимерных композитных материалов за счет применения углеродных нанотрубок (рис. 10). Поскольку плотность УНТ в пять раз меньше, чем стали, а прочность больше приблизительно в 30 раз, углеродные нанотрубки являются совершенным механическим наполнителем для усиления полимеров при малой плотности конечного продукта и с модулем Юнга, превышающим этот показатель для всех других известных углеродных волокон. Проведенные испытания полученных в CRANN композитов кевлар — УНТ выявили существенное улучшение всех механических параметров по сравнению с исходными кевларовыми волокнами: модуль Юнга увеличился со 115 до 207 ГПа, разрывная прочность с 4,7 до 5,9 ГПа, разрывное удлинение с 4,0 до 5,4% и др. Улучшение характеристик достигнуто при добавках УНТ всего 1 — 1,75% от общего веса. Полученные результаты могут рассматриваться как существенное достижение в области создания композитов нанотрубки-полимер [11].

Отчет об исследованиях в этой области 78 организаций из разных стран мира опубликовала [12] компания IDTechEx: «Carbon Nanotubes and Graphene for Electronics Applications: Technologies, Players & Opportunities», Updated in Q4 2009, By Ms. Cathleen Thiele and Raghu Das. Этот уникальный отчет представляет собой детальный обзор исследований по разнообразным применениям, технологиям, полученным результатам с информацией об исполнителях рассмотренных в обзоре работ.

Из углеродных нанотрубок китайские исследователи изготовили пористый материал (типа губки — нанопена, рис. 11), состоящий из огромного количества связанных между собой УНТ, который обладает комбинацией  таких свойств, как высокая пористость, суперэластичность, устойчивость к воздействию различного рода факторов, малый вес (1% плотности воды) [14]. Технологический  способ изготовления пористого наноматериала из УНТ прост, и не требует больших затрат. Пористая нанопена является структурой, полностью отличной от искусственных пористых материалов. Она построена исключительно из многостеночных нанотрубок диаметром от 30 до 50 нм и длинами десятки-сотни микрон с хаотичными связями, образующимися  в процессе самосборки в трехмерном пространстве.

При пористости более 99% такая наногубка может быть сжата до 10% исходного объема, а затем ее объем может восстановиться до первоначального. Кроме того, она обладает большой площадью внутренней поверхности и стабильностью при высокой температуре, большой механической прочностью и гибкостью, способностью поглощать проникающие вовнутрь вещества весом в 180 раз большим, чем собственный вес этой пористой наноструктуры. Предполагается, что такой материал  может иметь обширную область применений, например, для фильтрации токсичных газов, в качестве защитных покрытий, тепловой изоляции, в нанокомпозитах с высоким отношением прочность–вес.
Нанотехнологии, в принципе, позволяют создавать материалы с самоочищающейся поверхностью. Это важно, в том числе, и для кабелей, работающих при воздействии на них различных агрессивных сред, или для проводов линий электропередачи, подверженных образованию гололеда.

Обнадеживающей иллюстрацией такой перспективы является разработка группой ученых из Китая и Австралии  [15] одежды, которая не требует стирки и самоочищается под солнечными лучами. Эффект достигается  нанесением с помощью нанотехнологий слоя двуокиси титана анатазной модификации толщиной в пять атомов. Этот состав используется в космической промышленности и известен способностью разлагать оказавшиеся на его поверхности загрязняющие химические вещества под действием солнечных лучей (рис. 12). Понятно, что этот нанотехнологический способ самоочистки загрязненной поверхности не является единственным. Для кабельной продукции интерес представляют средства предотвращения вредного воздействия окружающих факторов на поверхность кабелей или проводов воздушных линий электропередачи. Создание новых материалов и кабелей с их использованием на нанотехнологической базе требует временных и материальных затрат.
Жесткие требования к кабелям, в особенности в особых или экстремальных условиях эксплуатации (например, авиакосмическое оборудование, применение кабелей при эксплуатации при большом перепаде температуры окружающей среды и при высоком давлении и т. п.) стимулировали соответствующие работы. Одним из актуальных направлений в этом аспекте является миниатюризация кабелей с целью снижения их массы и занимаемого объема, предназначенных для использования на самолетах, беспилотных летательных аппаратах, в оборудовании космических кораблей и станций, в ракетах.
Известны некоторые работы, направленные на создание кабелей, в которых в качестве проводника используются углеродные нанотрубки. Так НАСА (США) заказало университету Райса разработку кабеля с использованием УНТ — на начальном этапе планируется изготовить квантовый провод длиной 1 м [2].
Для использования, прежде всего, в беспилотных летательных  аппаратах ВВС США заказали компании Nanocomp Technologies разработку нового поколения очень легких электрических проводов и кабелей, в которых вместо обычных медных проводников используются (УНТ). Разработчик считает, что использование УНТ обеспечит существенные преимущества ЛА с такими кабелями. [16]. Иллюстрируют ситуацию следующие данные. Масса кабелей и проводов, используемых на спутниках весом 15 т и более, составляет примерно треть от общего веса. В коммерческом самолете Боинг 747 используется 135 миль медного провода весом более 1,4 т. Медные провода окисляются, подвержены коррозии, вибрационной усталости и приводят к отказам электроники из-за перегрева.
В России разработана технология производства нанокомпозитных проводов [17], которые прочнее стали примерно в пять раз при электропроводности примерно 70% от электропроводности чистой меди. Повышенная  прочность на разрыв позволяет уменьшать диаметр и массу кабеля. Провода и кабели с такими нанокомпозиционными проводниками могут с успехом применяться, в том числе в тех случаях, когда  эти изделия подвергаются воздействию повышенных  продольных механических нагрузок. Конструкции кабелей и проводов с использованием нанокомпозиционных проводников защищены патентом РФ №90253 (приоритет от 29 июля 2009). Этот патент является первым российским патентом на кабельные изделия с использованием нанотехнологии.
Сообщалось [18] о завершении разработки компанией LS Cable первого в мире кабеля, в производстве которого используются специально разработанные наноматериалы. Это достижение является результатом двухлетних исследований, проведенных совместно с Сеульским университетом, в результате которых были разработаны соответствующие технологии и необходимые для производства кабелей материалы, к особенностям которых относится отсутствие токсичности,  огнестойкость, соответствие требованиям экологии.
В ходе этих работ были созданы материалы с высокой огнестойкостью, в которых содержание замедлителей горения снижено на 30% по сравнению с существующими материалами.
Компания заявила, что ее цель  — агрессивное наступление на такие экономически привлекательные сегменты рынка, как кабели для электронных приборов, автомобилей, судов и кабели для подводной прокладки. Соответствующие разработки продолжаются. Интересным является тот факт, что отсутствуют какая-либо информация о реакции рынка на этот продукт и об оценке коммерческого успеха этой работы.
В общем, следует отметить, что, несмотря на принципиальную перспективность использования средств нанотехнологий для изготовления кабелей, количество публикаций в мире в широкодоступных источниках, относящихся к этой проблеме, крайне мало.

Организация работ по развитию нанотехнологий в России


Работы по изысканию путей использования нанотехнологий для изготовления кабелей и проводов ведутся и в нашей стране (рис. 13).

Так, на заводе «Микропровод» (входит в ОАО «Севкабель-Холдинг») проведены испытания [19] электротехнического лака для покрытия проводов, имеющего в своем составе наночастицы кремния, что обеспечивает  стойкость лака к коронному разряду. Это свойство важно для электротехнических изделий, к которым  приложено высоковольтное импульсное напряжение. На заводе успешно функционирует оборудование, на котором серийно изготавливается эмалированный провод диаметром от 0,014 мм. На выставке Rusnanotech’09 завод «Сарансккабель» представил проект выпуска новой импортозамещающей продукции на базе новейшего зарубежного оборудования с использованием технологии наложения изоляции из сшитого полиэтилена с применением нанокомпозитов с возможностью производства силовых кабелей на напряжение до 500 кВ.
Дочерние предприятия ОАО «Севкабель-Холдинг» подали в РОСНАНО три заявки на финансирование проектов, связанных с использованием нанотехнологий в кабельной промышленности [20]. Заявителями выступают: Завод «Микропровод» (проект системы изоляции проводов с нанолаками), ЗАО «Завод «Агрокабель» (проект производства проводов с противообледенительной системой), ОАО «Севкабель» (проект производства наномодифицированных эластомеров). ЗАО «Оптиковолоконные Системы» (Саранск) реализует инвестиционный проект «Создание производства оптического волокна». Проект предусматривает строительство первого в России завода по промышленному  производству телекоммуникационного и технического  оптического волокна. Производственные мощности завода составят 2,5 млн км оптического волокна в год. На заводе будет производиться оптическое волокно на основе нанотехнологий для кабелей связи,  предприятий оборонного комплекса, для предприятий,  эксплуатирующих сложные технические сооружения (мосты, трубопроводы, эстакады и т.д.), медицины, для предприятий, добывающих и транспортирующих нефть и газ. Республика Татарстан представила в Сбербанк России для софинансирования [21], среди инновационных проектов наноиндустрии республики с наибольшей степенью готовности для промышленного  внедрения, инвестиционный проект ЗАО «НУРан» «Производство нанодисперсных полимерных композиционных материалов для кабельной и трубной промышленности Российской Федерации». Компания АПаТЭк изготавливает из нанокомпозитов кабельные лотки и барабаны для намотки кабелей [22]. Руководство РФ большое внимание уделяет решению вопросов модернизации экономики, разработке и внедрению высоких технологий.
Открывая второй международный форум по нанотехнологиям, Президент России Дмитрий Медведев заявил, что до 2015 г. на финансирование нанотехнологий будет выделено 318 млрд руб. [21]. Накануне открытия форума премьер-министр Российской Федерации Владимир Путин подписал распоряжение о выделении ГК «Роснанотех» бюджетных ассигнований на 2010-2015 гг.
Документом, в частности, предписывается «...обеспечить выделение Корпорации в 2010 г. 53 млрд руб.; при формировании проекта федерального бюджета предусматривать Корпорации на 2011  г. бюджетные ассигнования  в размере 39  млрд руб, на 2012  г.  — 28 млрд руб., на 2013 г. — 33 млрд руб., на 2014 г. — 18 млрд руб. и на 2015 г. — 11 млрд руб.»

Каковы возможности создания
кабелей нового поколения — «умных» кабелей?


Снижение массы кабелей, уменьшение их поперечных размеров, повышение пожаростойкости, снижение уровня выделяемого при горении кабеля дыма, коррозионноактивных и токсических веществ и т. п., актуальные, но очевидные требования.
Создание кабелей, обладающих важными, но до сих пор не реализованными в современных конструкциях функциями, такими как самодиагностика, самовосстановление, самоочищение (этот ряд будет продолжаться по мере появления новых достижений в нанотехнологиях и нанонауке) — вызов и для специалистов, работающих в различных областях нанотехнологии.

Многообразие принципиальных возможностей использования нанотехнологий для создания новых поколений кабелей (пока не может быть полностью оценено) требует постоянного мониторинга и анализа достижений и тенденций эволюции нанотехнологических принципов как разработчиками кабелей(рис. 14), так и их потребителями для своевременной постановки задач для разработчиков с целью создания новой конкурентоспособной продукции. Решение таких задач может потребовать много времени и важно не упустить своевременный старт в этом процессе. Определенного ответа на поcтавленный выше вопрос дать в настоящее время невозможно, однако некоторые результаты исследований дают основания для оптимизма.
Прежде всего, отметим, что пути поиска решений в различных областях нанотехнологий по своей сути являются  эмпирическими, что усложняет достижение конкретных целей. Однако появилось сообщение [23] о том, что американским исследователям в результате проведения теоретических и экспериментальных работ удалось найти способ синтеза материала с регулируемой  шириной запрещенной энергетической зоны, что открывает путь к созданию материалов с программируемыми  свойствами. На основе атомного кластера As73 синтезирован наноразмерный материал,  в котором кластеры As73 комбинируются с различными щелочными атомами, которые являются донорами зарядов для этих кластеров, что открывает путь к созданию различных материалов с заданными характеристиками.
Экспериментальные измерения показали, что ширина запрещенной зоны могла изменяться от 1,1 эВ до 2,1 эВ при том, что структурные сборки формировались из одинаковых кластерных «строительных» блоков.
Сотрудники американского национального Института Стандартов и Технологии (NIST), проводя исследования по развитию нанотехнологий, передали информацию между двумя «искусственными атомами» по алюминиевому микрокабелю, продемонстрировав новый компонент для потенциальных квантовых компьютеров будущего. В целом устройство напоминает миниатюрную версию линии передачи кабельного телевидения с некоторыми добавочными необычными свойствами, включая сверхпроводящие цепи с нулевым электрическим сопротивлением и возможностями формировать многоцелевые биты для передачи данных в соответствии с необычными законами квантовой физики [24].
Реальным считается создание наноэлектронных функциональных  устройств типа нанороботов, транзисторов, детекторов, коммутирующих элементов и логических схем, в том числе и на основе нанотрубок [25]. В принципе, наноэлектронные функциональные элементы и устройства, содержащие такие элементы, могут формироваться внутри материала оболочек или изоляции кабелей, наделяя их способностью  реагировать на изменения внутренних и внешних факторов,  активировать различные исполнительные устройства (в том числе, и наноустройства) и т. д. Принципиальной проблемой является обеспечение наноэлекронных устройств питанием.
К решению такой задачи подошли китайские исследователи [26], которые обнаружили и исследовали возможность применения нанотехнологических принципов для преобразования энергии поверхностного натяжения жидкости в электрическую энергию. До сих пор считалось невозможным практическое использование энергии поверхностного натяжения в качестве источника энергии, поскольку лишь небольшое число молекул и атомов взаимодействуют в поверхностном слое жидкости и плотность этой энергии мала. Однако, поскольку энергопотребление наноустройствами мало, появилось предположение о возможности использовать энергию поверхностного натяжения в наномасштабе.
В китайском Национальном центре Нанонауки и технологии (NCNST) практически продемонстрировано, что одностеночные углеродные нанотрубки с соответствующей  структурой (SWCNT) могут быть использованы  для преобразования энергии поверхностного натяжения жидкостей в электричество. Такой генератор может быть использован для создания функциональных устройств в наномасштабных размерах с автономным питанием.
К его достоинствам относят: высокую выходную мощность (около 1800 мкВт на устройство), малое внутреннее сопротивление (единицы — сотни Ом), стабильность, отсутствие движущихся частей. Такие генераторы могут быть соединены как последовательно, так и параллельно.
Для демонстрации эффекта исследователи сделали «наноканат» из стыкованных между собой индивидуальных нанотрубок длиной 25 мм и диаметром 0,6 мм. Этот наноканат, будучи помещенным в этанол, при включении (т.е. при контакте с этанолом) генерировал линейно возрастающее напряжение — от нуля до 240 мкВ за 240 секунд. Насыщение соответствовало 219 мкВ, эта величина оставалась стабильной в течение 6 часов. Было установлено, что напряжение может оставаться постоянным все время, пока наногенератор контактирует с этанолом.
Авторы этой работы считают, что их исследования открывают  возможность создания различных наноустройств без внешних источников энергии. При соответствующем усовершенствовании наногенераторов, предполагается, что они смогут быть использованы для питания таких традиционных электронных устройств, как химические датчики и др.
Существо этой работы, на первый взгляд, никак не связано с разработкой кабелей. Тем не менее, можно предположить, что генерация на наноуровне электрической энергии (сигналов) при воздействии на них жидкостей может быть использована для активизации наноэлектронных устройств, для диагностики факта проникновения влаги в конструкцию кабеля.
Это, безусловно, футуристический взгляд в будущее, но вышеизложенное иллюстрирует необходимость мониторинга  разнообразных достижений нанотехнологий для оценки возможностей использования их для создания кабелей, имеющих абсолютно новые пользовательские  свойства, т. е. кабелей, которые могут обладать безусловными конкурентными преимуществами. Длина дороги, по которой должны идти в этом направлении исследователи, не поддается явному прогнозу, но это не является основанием для отказа двигаться по пути прогресса.

Организация работ по развитию нанотехнологий
и нанонауки в мире


Работы по развитию нанотехнологий и внедрение результатов этих работ осуществляются во всем мире в больших масштабах, о чем свидетельствует большой поток публикаций и новых книг, проведение международных конференций и др. В выполнении этих работ принимают участие частные компании, исследовательские организации и университеты, в том числе и при государственной поддержке, а также и государственные организации (рис. 15).

Показателен пример США, где с 2001 года действует программа «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI), цель которой — координация на федеральном уровне исследований и разработок в области нанотехнологий. В программу включены проекты, реализуемые в 25 федеральных агентствах, 15 из них получают средства из федерального бюджета — на 2011 год выделено 1,8 млрд долл. [27]. Общий объем инвестиций в NNI с 2001 года, включая 2011 год, составил почти 14 млрд долл., на вопросы, связанные с окружающей средой, здоровьем и безопасностью — более 480 млрд долл. Инвестиции в образование и исследования  в области этических, законодательных и других социальных измерений с 2005 года превысили 260 млн долл.

Европейский союз также проводит большие работы в области нанотехнологий в соответствии с принятым в 2005 году планом действий: «Нанонаука и нанотехнологии: План действий для Европы на 2005 — 2009 годы». Результаты выполнения этого плана опубликованы в отчетах за 2005-2007 и 2007-2009 годы. [28]. Одновременно с развитием нанонауки и нанотехнологий растущее внимание во всем мире уделяется оценке возможного влияния последствий производства наноматериалов и продукции, в которой эти материалы используются, на здоровье и окружающую среду. В программе NNI финансирование исследований по этой проблеме возросло с 68 млн долл. в 2006 году до 76 млн долл. в 2009 году. В европейском плане действий этому аспекту практического внедрения нанотехнологий также уделяется большое внимание.
Эта проблематика также находится в области деятельности международной организации стандартизации ISO. Решение проблемы нанотоксичности осложняется тем, что невозможно прогнозировать токсический эффект наноразмерных частиц известных материалов на основании свойств этих материалов не в наноразмерных измерениях.
Интенсивная дискуссия мирового масштаба, связанная с возможными негативными последствиями внедрения нанотехнологий, сосредоточена на трех направлениях — употребление в пищу продуктов, содержащих наноматериалы; попадание наноматериалов в окружающую среду и в пищевую цепочку; влияние наноматериалов на людей, связанных с производством (рис. 16).

Вышеперечисленными проблемами озабочено и австралийское правительство, которое инициировало национальную программу по обеспечению безопасности таких технологий, как нанотехнологии и биотехнологии, как часть национальной стратегии внедрения новых технологий [29].
Эта программа отражает приоритеты австралийского правительства: здоровье, безопасность и защита окружающей  среды. Стратегия, являющаяся частью правительственной инициативы СУПЕРНАУКА стоимостью в 1,1 млрд долл., включает финансирование следующих направлений национальной программы:
10,6 млн долл. на поддержку политических и законодательных инициатив, на обеспечение взаимопонимания с промышленностью, на международную деятельность и стратегические исследования, 9,4 млн долл. на обеспечение понимания общественностью перспектив и особенностей внедрения новых технологий, 18,2 млн долл. выделяется Национальному институту метрологии для совершенствования инфраструктуры метрологии, разработке стандартов и проведения экспертиз и согласования действий австралийского правительства с мировыми тенденциями. Широкий интерес в мире к социальным аспектам разработки и внедрения нанотехнологий, кроме прочего, отражается в проведении ежегодных конференций «Общества по изучению нанонауки и порождаемых ей технологий» (S.NET). Очередная конференция будет проводиться в г. Дармштадт (Германия) с 29 сентября по 2 октября 2010 года.
Программный комитет конференции предлагает обсудить антропологические, культурные, экономические, этические, исторические, философские, политические и социологические аспекты развития нанонауки и нанотехнологий.
Информации, подобной вышеприведенной, можно найти в изобилии как в специализированных изданиях, так и в различного рода информационно-обзорных материалах и сообщениях в Интернете.
Рассмотрение и решение проблемы защиты здоровья, безопасности и защиты окружающей среды, социальные аспекты должны быть обязательными составными частями любых проектов по разработке и внедрению нанотехнологий — в том числе и для кабельной промышленности. Следует заметить, что нанотехнологии имеют большой потенциал и в сфере защиты окружающей среды — альтернативные  источники энергии, очистка воды, воздуха и т. п. В этой связи интересно отметить, что в феврале 2010 года вышел первый номер журнала ENT Magazine, издание которого было организовано в 2009 году группой исследователей, занятых изучением возможностей нанотехнологий в области защиты окружающей среды [30]. При решении вопросов о производстве кабельной продукции с использованием нанотехнологий необходимо знать и принимать во внимание влияние нанопродуктов и материалов, содержащих нанопродукты, на производственный персонал, на окружающую среду в процессе производства и переработки использованной продукции. Важным вопросом является  также оценка токсичности продуктов, которые могут выделяться при нагреве и горении кабелей, при воздействии на них агрессивных сред и т.п.
Решение проблем, подобных вышеупомянутым, должно  быть составной частью проектов, связанных с внедрением нанотехнологий и материалов для изготовления элементов конструкции кабелей, содержащих наноразмерные добавки.

Заключение

Развитию и внедрению нанотехнологий в настоящее время уделяется большое внимание во всем мире, в этот процесс вкладываются большие материальные и интеллектуальные  ресурсы, поскольку считается, что именно нанотехнологии могут поднять нашу цивилизацию на принципиально новый уровень. Такая точка зрения подтверждается результатами теоретических и практических работ, проводимых исследователями во всем мире.Нанотехнологии позволяют создавать для разнообразных областей применения новые материалы и наноразмерные функциональные элементы и устройства, которые, в свою очередь, позволят создать принципиально новые образцы техники для самых разнообразных областей применения.
И кабельная промышленность с использованием наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий сможет производить продукцию с характеристиками, недостижимыми другими средствами.
Для воплощения в реальность таких перспектив требуется проведение (при условии своевременной постановки) большого объема исследований, включая научные, технологические, метрологические и т. п. Составной частью проектов по внедрению нанотехнологий должны быть исследования по влиянию нанотехнологий и нанопродуктов на здоровье, безопасность, экологию и т. п.
Кроме прочего, необходимо проводить оценку и коммерческой эффективности работ по созданию новой кабельно-проводниковой продукции с учетом такого важного показателя как отношение цена/качество, на величину которого влияет вся совокупность факторов, определяющих положение производителя кабельной продукции на рынке.

1. Рубанов В. Прикладная сверхпроводимость-2010. Краткая информация о научно-технической конференции «Прикладная сверхпроводимость-2010». Кабель-news. 2010, №3.
2. Светиков Ю. В. Современные тенденции развития кабельного производства. Компоненты и Технологии. 2007, №8.
3. Еленин Г. Г. Нанотехнологии, наноматериалы, наноустройства. http:// www.skurdiumov.narod.ru/ELENIN.htm.
4. Боейлс Д. М. Нанотехнология. http://www.rivasoft.ru/readarticle.php?article _id=6.
5. http: //www.americanelements.com
6. Cizmic H. Nanotechnology to optimize and construct special cables. Wire and Cable International. 2005, №4.
7. Cizmic H. Nanotechnology: how small is the nanoworld in cable industry. Wire Journal International. 2007, №3.
8. Светиков Ю. В. Нанотехнологии — каковы ожидания разработчиков кабелей? Компоненты и Технологии. 2009, №9.
9. http://www.nanocompositech.com/Clay. polymer review-nanoconposite.html
10. http://www.nanotechnology.com/Nanotechnology News Archive.
11. http://www.nanowerk.com/Kevlar spotid=9412.php.htm
12. http://IDTechEx.com
13. http://www.nanotechwire/news.asp.htm
14. http:// www.nanowerk.com/ Nano safety spotid=14708.php.htm
15. http://www.izvestia.ru, www.world-of-nano.blogspot.com/2008/02/blog-post_13.htm
16. http://www.airforce-technology.com. Tech trends: The shrinking size of the cable.
17. Путилов А.В., Панцырный В.И., Шиков А.К., Воробьева Ф.Е., Хлебова Н.Е., Дробышев В.А., Беляков Н.А., Потапенко И.И. Создание высокопрочных наноструктурных микрокомпозиционных CuNb электротехнических проводов с использованием методов деформации. Цветные металлы. 2008, №3.
18. http://www.lscable.com/pr/news
19. http://SEVKAB news.php.htm] Севкабель-Холдинг провел испытания лака с использованием нанотехнологий. Пресс-служба ОАО «Севкабель-Холдинг». Пресс-релиз, 11.02.2010.
20.http://www.spbgid.ru/index.php?new s — 23 марта 2010 г.
21.http://prav.tatar.ru/rus/index.htm/news /39547.htm
22. http://www.apatech.ru/index.html
23. http://www.nanowerk.com. Designing nanoscale materials with a precise control over properties (Nanowerk News, 05.03.2010, ref . Virginia Commonwealth University).
24. http://www.nanotech-now.com
25. http://www.tmpsearchers.com/ new/images/tmp_logo.gif
26. http://www.nanowerk.com. Michael Berger. Powering nanotechnology devices with novel energy generators. Nanowerk Spotlight, 05.03.2010.
27. http:// nano.gov/html/about/funding.html
28. http:// cordis.europa/nanotechnology
29. http:// www.innovation.gov.au/enablingtechnologies
30. http://www.netline.com/ent

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно