Нанотехнологии – перспективное направление развития кабельной отрасли

Нанотехнология даёт возможность значительно продвинуться вперёд на пути усовершенствования эксплуатационных характеристик кабельных изделий, повышения экономической эффективности и упрощения технологических процессов при их производстве. В чём же заключаются достижения нанотехнологии в кабельной отрасли на сегодняшний день? Уже используемые и потенциальные возможности применения нанотехнологии в кабельной отрасли: сшивание и фторполимеры; углеродные нанотрубки и наноглины в качестве наполнителей для огнестойких кабелей; металлические порошки в электропроводящих слоях; сверхпроводимость и нанокерамика. Производственные процессы рассматриваются с точки зрения создания группы специальных кабелей, которые способны предупредить потребителей о сбоях и коротких замыканиях в своих электрических цепях, способны устранить последствия при возникновении повреждений или могут оставаться чистыми благодаря наличию покрытия, не поддающегося загрязнению. Чрезвычайно привлекательная перспектива достижения высокой экономической эффективности при производстве практически каждого отдельного кабеля или провода, несомненно, вызывает большой интерес, но в то же время подразумевает немало проблем. Новые наноматериалы должны быть экологически безопасны и совершенно безвредны для окружающей среды. Кабельная промышленность, перед которой и раньше стояли задачи освоения новых материалов, не может позволить себе отставание в этой перспективной, развивающейся технологии, несмотря на все сложности, сопутствующие разработке наноматериалов для кабельного производства.
Многие материалы проявляют фундаментально другие физические свойства, которые становятся очевидными только на уровне нанометрических размеров (менее 100 нанометров). Это такие свойства, как: электропроводность, теплоёмкость, модуль Юнга, поверхностная свободная энергия, механическая прочность и т. д. Все эти характеристики могут быть использованы для создания "умных кабелей", способных реагировать на окружающие условия таким образом, который не доступен традиционным "немым кабелям". Нанотехнология становится всё более популярной, так как в настоящее время уже существуют инструменты для того, чтобы "видеть", измерять и манипулировать частицами вещества на наноуровне. Так, атомно-силовой микроскоп лучше подходит для характеристики нано-композитных материалов, чем традиционные электронные и оптические микроскопы. Кроме того, атомно-силовой микроскоп позволяет производить прямое трёхмерное измерение поверхности и дифференцировать типы материалов на поверхностном уровне. Следует отметить, что многие методы, обеспечившие приход нано-эры, являются скорее продолжением развития уже существующих научных достижений, чем новыми, разработанными специально с единственной целью создания нанотехнологии. Типичными примерами могут служить такие материалы, как Kevlar или Teflon . Когда оба этих продукта появились на рынке, лишь немногие осознали это как результат нанотехнологии (она называлась "химия полимеров"), хотя при этом использовались свойства материалов на наноуровне.
Традиционно полимеры характеризовались исключительно по своим объёмным свойствам, включая жёсткость, прочность на удар, модуль упругости, относительное удлинение и, главным образом, электрические характеристики. Поскольку полимеры блочной полимеризации были по существу однородными, характеристика подструктуры была не слишком важна. Но в настоящее время она оказывается важной. Нанокомпозитные материалы с новыми физическими свойствами могут быть созданы путём введения небольших количеств нанодобавок. Большой интерес представляют свойства нанокомпозитных материалов и их способность к не распространению горения при очень низких уровнях добавок в стандартные кабельные материалы. Для сравнения: с целью достижения соответствующего уровня нераспространения горения в полимерные компаунды обычно вводят до 60% или более огнестойких добавок (широко распространены – тригидрат алюминия или гидроокись магния). В результате такие материалы, как полиэтилен, поливинилхлорид и другие приобретают повышенную плотность, становятся менее гибкими, менее устойчивыми к проникновению воды и даже создают некоторые проблемы для экструзионного процесса. Кроме того, в результате введения огнестойких добавок несколько снижаются электрические характеристики материалов, они становятся более дорогостоящими, что ограничивает их применение. Первыми типами нанонаполнителей, которые вышли на уровень коммерческого применения, являются ноноклеи (модифицированные силикаты слоистой структуры, монтмориллониты) и углеродные нанотрубки. При этом содержание наполнителя составляет всего от 2% до 7% от общей массы конечного компаунда. Углеродные нанотрубки также повышают электропроводимость. В то время как цена на наноклеи достаточно низкая (5,5 фунтов-стерлингов за килограмм), цена углеродных трубок достаточно высока (80 фунтов-стерлингов за грамм), поскольку их производство всё ещё находится на лабораторном уровне. Тем не менее, себестоимость нанотрубок должна значительно сократиться при освоении массового производства. Введение нанокомпонентов не приводит к существенным изменением условий экструзионного процесса для большинства полимеров, хотя иногда могут возникать некоторые проблемы в связи с насыщением и дисперсией наночастиц внутри полимера.
Проблема надёжности и безопасности электрических проводов в зданиях может быть решена с помощью нанотехнологии. Пока неизвестно, что произойдёт раньше: замена меди наноматериалами или появление серии "умных" машин, потребляющих очень мало или вообще не требующих электроэнергии. Известно, что в кристаллическом графите проводимость вдоль плоскости слоя наиболее высокая среди известных материалов и, напротив, в направлении, перпендикулярном листу, мала. Поэтому ожидается, что электрические кабели, сделанные на основе нанотрубок с необходимой ориентацией, будут иметь при комнатной температуре электропроводность на два порядка выше, чем медные кабели. Добавляя в пространственную структуру алмазоида различные атомы, можно получить материалы с различной электропроводностью, гибкостью и гидрофобностью.
Ещё одним примером применения нанотехнологии является изготовление обмоточного провода с использованием тонко дисперсного порошка окиси кремния, введённого химическим способом в полиимидную изоляцию. Этот метод позволил улучшить качество готового провода и повысить его температурный индекс до 280С
(по сравнению с 240С для стандартных эмалированных проводов). В этом контексте следует упомянуть попытки получить "идеально чистый" нанопровод, к которому не пристают частицы пыли, масел, воды. Таким образом, за счёт самоочищения провода имеется потенциальная возможность увеличения срока службы катушек и обмоток электродвигателей, магнитов.
Проводятся исследования с целью создания наноскопических коаксиальных кабелей для передачи светового сигнала. Основная идея состоит в том, чтобы уменьшить коаксиальный кабель примерно в 10 000 раз, тогда его диаметр будет меньше, чем длина волны видимой области спектра. Созданный образец такого кабеля работает так же, как традиционный коаксиальный кабель, но разница в том, что этот наноскопический кабель имеет диаметр всего 300 нанометров и он короче самой короткой волны видимого света и не видим человеческому глазу. Углеродная нанотрубка заменяет внутренний проводник, плёнка оксида алюминия заменяет пластмассовый слой, а покрытие из хрома или алюминия заменяет наружную оболочку. В настоящее время длина самых длинных из них не превышает 20 микрометров. Такие коаксиальные нанокабели не являются кандидатами для замены оптических волокон. Как считают учёные, разработка таких кабелей может привести к инновационным решениям в области фоточувствительных элементов, искусственной сетчатки глаза, компонентов квантового компьютера.

Существует большая группа сверхпроводящих изделий, которые должны выполнять заданную функцию на протяжении всего срока службы (более 25 лет) и при этом быть абсолютно безвредными для окружающей среды. Такие продукты, к эксплуатационным характеристикам которых предъявляется множество требований и которые часто создаются по индивидуальным заказам, ложились тяжёлым бременем на производителей и создавали производственные проблемы ещё до наступления наноэры. 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. Открытие так называемых высокотемпературных сверхпроводников на основе керамики (YBCO) позволило достигать состояния сверхпроводимости при температурах жидкого азота (77К), а не жидкого гелия (4К). Использование инновационной технологии деформационного текстурирования даёт возможность получать сверхпроводящие ленты, которые могут передавать ток с плотностью на уровне 1000 А/см2. Сверхпроводящая лента с покрытием состоит из трёх компонентов: металлической подложки (из никеля или сплава на основе никеля, обычно толщиной 25-50 мкм, полученной при помощи технологии деформационного текстурирования), буферного слоя (нанесённого методом осаждения) и сверхпроводящего слоя YBCO или слоя висмута (полученного при помощи золь-гелевой технология и методом химического осаждения из паровой (газовой) фазы металлоорганических соединений). Многие проблемы, связанные со сверхпроводимостью, уже были преодолены благодаря развитию нанотехнологии. Теперь стало возможным вырастить плёнку нужной длины, поддерживающую очень высокие сверхтоки. Провода могут быть изготовлены путём 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. В настоящее время перед учёными и производителями стоит задача интегрирования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в действующие системы. Интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области сверхпроводящих материалов и нанотехнологий для получения конечных продуктов проводятся в США, Европе и Азии.