"Нанокабель": материалы последнего поколения в кабельной промышленности

Если анализировать патенты на кабели и провода за последние годы, можно заметить, что какие-то значимые новшества касаются преимущественно двух видов продукции: оптоволоконных систем и сверхпроводников. Исходя из самого конструктива кабеля (проводящий элемент и адаптивы), логично предполагать, что совершенствование эксплуатационных характеристик кабеля строится на использовании принципиально новых материалов с улучшенными свойствами. 

На сегодняшний день существует только один способ получения таких материалов  – использование нанотехнологий, которые основаны на управлении физическими свойствами материалов на уровне молекулы и атома.

Несмотря на скептицизм многих экспертов, исследования в области изменения внутренней структуры материалов с помощью нанотехнологий начались еще в 90-х годах. На сегодняшний день сформирован полноценный развивающийся рынок наноматериалов. Наночастицы, нанопорошки и нанотрубки широко используются в промышленности, медицине, науке и даже в быту.

Для кабельной промышленности особенное значение имеют УНТ (углеродные нанотрубки), нанопровода, наноглины, нанопорошки, нанопена, металлические порошки. Даже привычные для отрасли материалы, повсеместно используемые на кабельных заводах, тоже в той или иной степени основаны на управлении физическими свойствами. Это разбухающая пена, керамика, полимеры, сшитый полиэтилен и др.

Углеродные нанотрубки представляют собой наноразмерные цилиндрические трубки из графитированного углерода с одной, двумя или множеством стенок. Они 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.

Нанотрубки - нанотехнология, наиболее широко применяемая в кабельной промышленности

Наночастицы кремния и диоксида кремния, индия и многих других веществ, как и УНТ, имеют большой потенциал практического применения в кабельно-проводниковой промышленности. При этом массогабаритные показатели проводов и кабелей, их прочностные и эксплуатационные характеристики могут существенно превзойти современный уровень.

Можно выделить два направления развития нано-технологий, которые развиваются разными темпами:

Первое - создание наноматериалов, которое имеет наибольший потенциал в краткосрочном периоде.

Второе - разработка функциональных наноустройств. Работы в этом направлении ведутся во многих странах мира, но до практически применимого уровня могут быть доведены значительно позднее по сравнению с освоением в производстве новых кабелей с использованием наноматериалов.

Многообразие возможностей использования нанотехнологий для создания новых поколений кабелей требует постоянного мониторинга и анализа достижений и эволюции нанотехнологических принципов как разработчиками кабелей, так и потребителями для своевременной постановки задач для разработчиков с целью создания новой конкурентоспособной продукции.

Удачным примером применения нанотехнологий в сегодняшних технологических условиях является изготовление обмоточного провода с использованием тонкодисперсного порошка окиси кремния, введённого химическим способом в полиамидную изоляцию. Этот метод позволил улучшить качество готового провода и повысить его температурный индекс до 280°С для стандартных эмалированных проводов по сравнению с 240°С. В этом контексте следует упомянуть попытки получить «идеально чистый» нанопровод, к которому не пристают частицы пыли, масел, воды. Таким образом, за счет самоочищения провода имеется потенциальная возможность увеличения срока службы катушек и обмоток электродвигателей, магнитов.

Нанопровода толщиной всего в три атома - разработка Вандербильтского университета

Еще одна интересная разработка, которая имеет большой потенциал в кабельной отрасли  –  это наноскопические коаксиальные кабели для передачи светового сигнала. Основная идея состоит в том, чтобы уменьшить коаксиальный кабель примерно в 10 000 раз, чтобы его диаметр стал меньше длины волны видимой области спектра.

Первый опытный образец, основанный на применении такой технологии, работает так же, как традиционный коаксиальный кабель. Разница лишь в том, что этот наноскопический кабель имеет диаметр всего 300 нанометров, он короче самой короткой волны видимого света и не видим человеческому глазу. Углеродная нанотрубка заменяет внутренний проводник, пленка оксида алюминия  –  пластмассовый слой, а покрытие из хрома или алюминия  –  наружную оболочку. В настоящее время размер самых длинных нанокабелей не превышает 20 микрометров. Как считают учёные, разработка таких кабелей может привести к инновационным решениям в области фоточувствительных элементов, искусственной сетчатки глаза, компонентов квантового компьютера.

Использование нанотехнологий в кабельной промышленности может решить огромный пласт проблем и спорных вопросов, не имеющих однозначного решения на современном этапе.

Так, например, на протяжении многих лет активно обсуждается проблема надежности и безопасности электрических проводов в зданиях. Мало кто из производителей и потребителей знает, что данный вопрос может быть полностью закрыт с помощью повсеместного внедрения нанотехнологий в производство. Известно, что в кристаллическом графите проводимость вдоль плоскости слоя наиболее высокая среди известных материалов и, напротив, в направлении, перпендикулярном листу, мала. Электрические кабели, сделанные на основе нанотрубок с необходимой ориентацией, при комнатной температуре будут иметь электропроводность на два порядка выше, чем медные кабели. Добавляя в пространственную структуру алмазоида различные атомы, можно получить материалы с различной электропроводностью, гибкостью и гидрофобностью. В будущем это может помочь решить проблему специфики внешней среды при изготовлении и монтаже кабеля, стандартизировать специальную продукцию. 

Постоянный спрос на сверхпроводники с усовершенствованными эксплуатационными характеристиками приводит к разработке новых полимерных, металлических и керамических материалов для кабельной промышленности. Диамагнитные материалы с уникальной способностью проводить электрический ток при минимальном сопротивлении или его отсутствии в условиях температуры ниже критического значения тесно связаны с достижениями нанотехнологии.

Сверхпроводящий кабель на основе высокотемпературных сверхпроводников - одна из наиболее обсуждаемых разработок ВНИИКП

Многие проблемы, связанные со сверхпроводимостью, уже были преодолены именно благодаря развитию нанотехнологии. Сегодня стало возможным вырастить пленку нужной длины, поддерживающую очень высокие сверхтоки. Провода могут быть изготовлены путем помещения сверхпроводника на основе висмута в серебряные трубки, которые затем нагревают и прокатывают для получения более однородной микроструктуры. Такие провода уже используются в качестве токовводов для ультрахолодных сверхпроводящих магнитов, при этом возможно значительно снизить требуемую мощность системы охлаждения. 

Развитию и внедрению нанотехнологий и наноматериалов в настоящее время уделяется большое внимание во всем мире. В этот процесс вкладываются большие материальные и интеллектуальные ресурсы, и это оправдано, потому что именно нанотехнологии могут поднять нашу цивилизацию на принципиально новый уровень. Кабельная промышленность с использованием наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий сможет производить продукцию с характеристиками, недостижимыми другими средствами. Для воплощения в реальность таких перспектив требуется проведение большого объема исследований, включая научные, технологические, метрологические, а также исследования по влиянию нанотехнологий и нанопродуктов на здоровье, безопасность и экологию.