«Методы и технологии формирования межфазных границ и наноструктурных неметаллических полифункциональных покрытий» - презентация

1 «Методы и технологии формирования межфазных границ и наноструктурных неметаллических полифункциональных покрытий»

2 О потребности/необходимости в квалифицированных кадрах в области многопрофильного производства пористых наноструктурных неметаллических неорганических покрытий в Томской области Основные заказчики ООО «Сибспарк» (разработчик теории, методов, оборудования и технологии формирования наноструктурных неорганических неметаллических покрытий). Компания «ЭлеСи» (ведущий российский разработчик и производитель систем промышленной автоматизации). ЗАО «Манэл» (новое предприятие; учредители предприятия - Томский государственный университет, «РОСНАНО», ЗАО «ЭлеСи»). Его сфера деятельности - услуги и технологические линии для нанесения функциональных неметаллических неорганических керамических покрытий на поверхности металлов.

3 - ЗАО «Манэл» при выходе на проектную мощность планирует выпускать 12 технологических линий в год. То есть, каждый год нужны будут специалисты для их обслуживания, а это 1 (2) технолога для каждой линии (в зависимости от ее производительности). Таким образом, минимальная потребность в кадрах в ближайшее время - не менее 12 человек в год. - ООО «Сибспарк» для разработки новых вариантов функциональных наноструктурных покрытий и их получения методом микродугового оксидирования (МДО) необходимо уже в г. не менее 5 молодых специалистов, подготовленных для работы в данной отрасли и способных заниматься научно-исследовательской деятельностью (разработками), в том числе с дальнейшим повышением своей квалификации через аспирантуру ТГУ. Каждый год научные сотрудники ООО «Сибспарк» будут принимать и готовить не менее 2 аспирантов через аспирантуру ТГУ. - Кроме того, потребность в специалистах, способных работать с наноматериалами или создавать их имеется и в других отраслях напрямую не связанных с методами МДО и соответствующими производственными линиями

4 Технология микродугового оксидирования (МДО) обеспечивает изделиям из алюминия, магния, титана, циркония и др. металлов/ сплавов свойства износостойкости (увеличение в 2–8 раз), защиту от коррозии, термостойкость, декоративные и многие другие свойства. Проводить предварительную механическую обработку поверхности в данной технологии необязательно, что особенно важно в случае крупногабаритных и много тоннажных изделий. Наносимые покрытия позволяют существенно расширить функциональные свойства известных и широко используемых материалов, а также разрабатывать новые направления их применения за счет возможности создания покрытий с развитой пористостью, комбинирования их состава путем нанесения нескольких веществ, обладающих различными свойствами.

5 Примеры изделий с МДО покрытием

6 Необходимость создания краткосрочной программы профессиональной переподготовки кадров Недостаток практического опыта выпускников вузов, обусловленный разрывом между соответствующими требованиям профессиональной среды и уровнем их подготовки (не по объёму полученных знаний, а, прежде всего, по несформированности специальных компетенций, необходимых для данного профиля деятельности) мешает их быстрой адаптации в сфере производства, в том числе и в области многопрофильного производства пористых наноструктурных неметаллических неорганических покрытий. Кафедра имеет многолетний, себя оправдавший, опыт работы по подготовки молодых специалистов химиков, владеющих специальными знаниями, по заказу предприятий электронной промышленности НПО «Восток» и «Изомер» (г. Новосибирск) по специализации «химия полупроводников» ( гг); в последующие годы - для НИИПП (г. Томск) - «химическое материаловедение».

7 Актуальность программы ОПП Актуальность определяется необходимостью создания и апробирования системы опережающего обучения в новых условиях формирования наноиндустрии и обеспечения кадровой потребности инвестиционных проектов, поддерживаемых ГК «Роснанотех». Особенно важно понизить дефицит квалифицированных специалистов в проектных компаниях Корпорации, что в свою очередь, будет способствовать повышению уровня реализуемости проектов, созданию и развитию кадрового потенциала, обеспечивающего потребности новых не развитых ранее рынков труда, в том числе и в области многопрофильного производства пористых наноструктурных неметаллических неорганических покрытий.

8 Цель данной программы ОПП Получение слушателями (обучающимися) необходимых знаний, умений и навыков в области многопрофильного производства пористых наноструктурных неметаллических неорганических покрытий и в сопряженных областях науки, техники и нанотехнологии. Предоставление возможности слушателям развить и продемонстрировать умения в данной области, в т.ч. в процессе прохождения стажировки, выполнения и защиты квалификационной работы, усвоения основного модуля программы («Методы формирования неметаллических наноструктурных покрытий путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз») и модулей, лежащих на стыке с данной наукой и технологией («Методы изучения неметаллических наноструктурных и композиционных материалов», «Свойства, применение, испытания и метрология покрытий»).

9 Задачи программы ОПП Сформировать у слушателей систему понятий и представлений по общей методологии нанесения и удаления вещества с поверхности твердого тела в жидких средах, по электрохимическому оксидированию (МДО) материалов путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз твердое тело–жидкость, методам и устройствам для нанесения и исследования наноструктурных покрытий в условиях микроплазменного разряда, а также их месте и роли в соотношении с другими известными методами и устройствами формирования поверхности твердого тела в низко- и высокотемпературной плазме, при воздействии электронных и ионных пучков. Освоить и применить наиболее распространенные методы исследования состава, морфологии и структуры покрытий. Развить системное понимание в области свойств и основных областей применения наноматериалов и покрытий, метрологического обеспечения контроля качества материалов, процессов и изделий, как основы дальнейшего развития и расширения инновационной технологии, обеспечения востребованности как непосредственно техпроцесса, технологических устройств, так и выпускаемой продукции.

10 штатные преподаватели и сотрудники Томского государственного университета, имеющие необходимую квалификацию, в том числе опыт научных исследований в области пористых наноструктурных неметаллических неорганических покрытий и межфазных границ, ученые степени (8 кандидатов и 4 доктора наук), опыт оказания аналогичных услуг. Поскольку для исследования наноразмерных наноструктурированных пористых покрытий требуется широкий круг методов и дорогостоящих устройств, дополнительно будут привлечены специалисты Сибирского федерального университета, а также специалист из Feng Chia University (Тайвань, проф. J. Wu). Важно то, что в разработке и реализации программы принимают участие высококвалифицированные специалисты ООО «Сибспарк» (он же и один из потребителей кадров), где разработаны технологические линии для нанесения неметаллических неорганических керамических покрытий на поверхности металлов. ООО «Сибспарк» один из потребителей кадров. Кроме того, будет использоваться филиал кафедры ТГУ в ОАО «Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов» (НИИПП). Предполагается проведение учебно- производственной практики слушателей на базе этих компаний с привлечением имеющегося там оборудования. Реализацию программы будут осуществлять

11 Образовательные технологии, используемые для достижения учебных целей Программы 1. Для эффективного обучения в короткие сроки специалиста используются технологии, позволяющие быстро и независимо от расстояния преподаватель - обучающийся предоставить последнему необходимые знания: дистанционные образовательные технологии, включая аудио- и видеоконференцию, чат, вебинар, форум; электронные образовательные ресурсы; информационные и телекоммуникационные технологии, включая работу с удаленными базами данных, компьютерные презентации, документ-камеры, интерактивные доски и др.; современные образовательные технологии (деловые игры, метод проектов, кейсовая технология, проведение модельных занятий, мастер-классы и тренинги и др.).

12 2. Обучающиеся являются активными участниками образовательного процесса, Это достигается: за счет применения электронных образовательных ресурсов и интерактивных форм обучения; мотивированностью в получении знаний в форме стремления обучающихся к развитию и самопознанию для овладения новым видом профессиональной деятельности как одного из элементов успешности в будущей научно-исследовательской или производственной деятельности; путем вовлечения обучающихся в НИР совместно с опытными специалистами и преподавателями при прохождении стажировки, выполнении лабораторных (практических) работ, выполнении и публичной защите выпускных квалификационных работ. Все это позволит «научиться обучаться», создавать новое знание или разработку.

13 УЧЕБНЫЙ ПЛАН (9 курсов в составе 3 модулей) п/п Наименование разделов, дисциплин и тем Всего часов В том числе: лекциипрактич, лаборат Итог М1М1 Методы формирования неметаллических наноструктурных покрытий путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз Экзамен 3зачета М2М2 Методы изучения неметаллических наноструктурных и композиционных материалов Экзамен зачет М3М3 Свойства, применение, испытания и метрология покрытий зачета Учебно-производственная практика/стажировка104 Защита практики Итоговая государственная аттестация10 Защита проекта Итого

14 УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН модуль1 Наименование разделов, дисциплин и тем Всего часов В том числе: лекцииПракт./ лабор. Методы формирования неметаллических наноструктурных покрытий путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз Курс 1. Методы нанесения и удаления вещества с поверхности твердого тела в жидких средах Курс 2. Электрохимическое оксидирование материалов путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз твердое тело–жидкость Курс 3. Методы и устройства для нанесения наноструктурных покрытий в условиях микроплазменного разряда Курс 4. Методы исследования и измерения параметров формирования наноструктурных неметаллических полифукциональных покрытий в наноразмерной условиях локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз Курс 5. Формирование поверхности твердого тела в низко- и высокотемпературной плазме, при воздействии электронных и ионных пучков

15 1-й учебный курс 1-го модуля: Методы нанесения и удаления вещества с поверхности твердого тела в жидких средах Курс служит общим введением в технологию электрохимических процессов, кинетику и механизм межфазных превращений; в этой теме закладываются основы понимания направлений выбора исходных условий для нанесения покрытий и управления их составом. Закладывается знание в области физикохимии межфазных превращений в условиях равновесия (термодинамика, диаграммы Пурбэ, стационарное состояние) и его смещения в сторону развития анодных/катодных процессов (кинетика). Дается понимание сущности фундаментальных уравнений электрохимической кинетики и кинетики анодного оксидирования, физических и математических моделей описания процесса. На этой основе формируется умение с помощью термодинамических и кинетических данных и расчетов предсказать возможный состав и структуру границ раздела фаз (поверхности) для реальных веществ, начиная от равновесных условий и заканчивая смещением процессов в сторону анодного оксидирования вплоть до развития процесса микроплазменного оксидирования.

16 2-й учебный курс 1-го модуля: Электрохимическое оксидирование материалов путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз твердое тело–жидкость Дается понимание о процессе подачи энергии высокой плотности и ее наноразмерной локализации на границе раздела фаз: основные понятия, условия и механизм пробоя оксида, возникновение микроплазменного разряда и его локализация. Подробно рассматриваются методы и условия проведения процесса, дается их теоретическое описание при пропускании тока высокой плотности, при протекании основных и побочных электрохимических и химических реакций на границе раздела фаз, методах локализации высокоэнергетических импульсных потоков в тонком слое на границе раздела фаз, влиянию изменения длительности импульса тока (напряжения) и параметров микроплазменного разряда на качество и характеристики получаемых покрытий. Важным элементом специального знания является понимание закономерности наноструктурирования поверхностного слоя в условиях воздействия концентрированных потоков энергии и особенности формирования структуры и свойств градиентных и слоисто-градиентных функциональных покрытий. Поскольку одним из важных параметров покрытий является прочность и износостойкость, то отдельно рассматриваются физико-механические особенности поведения наноструктурного материала с пористым покрытием при механическом нагружении.

17 3-й учебный курс 1-го модуля: Методы и устройства для нанесения наноструктурных покрытий в условиях микроплазменного разряда В курсе дается обзор по уникальным методам и устройствам для нанесения наноструктурных покрытий в условиях микроплазменного разряда; рассматриваются отличительные особенности данной технологии от мировых и отечественных аналогов, рассматриваются основные типовые конструкторские решения по нанесению покрытий, основные организационные и технико-экономические вопросы производства наноструктурных покрытий. Важным элементом в понимании путей управления профилем покрытия и создания необходимого рисунка межэлементных связей, а также как одного из методов получения наноразмерных покрытий является изучение раздела курса «Применение методов литографии в процессах нанесения слоев, формирования и переноса наноразмерного изображения на покрытия различного рода».

18 4-й учебный курс 1-го модуля: Методы исследования и измерения параметров формирования наноструктурных неметаллических полифункциональных покрытий в условиях наноразмерной локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз Слушатели получат необходимые знания и навыки в работе и методиках измерения электрических параметров быстротекущих микроплазменных процессов формирования наноструктурных неметаллических неорганических покрытий при наноразмерной локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз твердое тело–жидкость с помощью измерительного оборудования нового поколения, оснащенного компьютерной системой измерений, позволяющей регистрировать вольтамперные зависимости. Вольтамперная зависимость является новым инструментом исследования природы явлений, происходящих в микроплазменном импульсном режиме при формировании наноструктурных неметаллических покрытий на границе раздела фаз. Знание динамики изменения вольтамперных зависимостей от режимов микроплазменного процесса, состава материала электрода, состава электролита и других факторов позволяет прогнозировать, контролировать и управлять процессами формирования покрытий, конструировать покрытия с заданными характеристиками и различными функциональными свойствами, а также управлять процессами формирования покрытий.

19 5-й учебный курс 1-го модуля: Формирование поверхности твердого тела в низко- и высокотемпературной плазме, при воздействии электронных и ионных пучков Курс объединяет вопросы, связанные с технологиями нанесения покрытий, как правило, без использования жидких сред с применением высокоэнергетических и низкотемпературных источников в воздушной среде или в вакууме. Для эффективного использования возможностей плазменных и лучевых технологий в плане управления физическими и механическими свойствами покрытий рассмотрены процессы и изменения происходящие в составе и структуре при плавлении, испарении, стекловании и кристаллизации неметаллических неорганических покрытий. Курс ориентирован на изучение механизмов поверхностных и структурных превращений и специфику взаимодействия различных видов излучений/полей с основой и нанесенными покрытиями.

20 УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН модуль 2 и 3 Методы изучения неметаллических наноструктурных и композиционных материалов Курс 1. Методы исследования состава покрытий Курс 2. Методы исследования морфологии и структуры покрытий Свойства, применение, испытания и метрология покрытий Курс 1.Свойства и основные области применения наноматериалов и покрытий. Защита интеллектуальной собственности Курс 2. Метрологическое обеспечение контроля качества материалов, процессов и изделий 1266 Учебно-производственная практика/стажировка104 Итоговая государственная аттестация10 Итого

21 1-й учебный курс 2-го модуля: Методы исследования состава покрытий Основная цель курса состоит в изучении теоретических основ широко применяемых методов спектроскопии (в различных вариантах) и формировании у обучающихся комплекса знаний и умений, необходимых для решения задач диагностики состава веществ различной природы и технологических сред, используемых при получении наноструктурных неметаллических полифункциональных покрытий и межфазных границ. Обучающиеся также познакомятся с устройством и возможностями современных термоаналитических приборов; обучатся использованию термического анализа для исследования состава и свойств твердых веществ и материалов.

22 2-й учебный курс 2-го модуля: Методы исследования морфологии и структуры покрытий Технология микроплазменного оксидирования позволяет формировать покрытия не только различного состава, но и с разной структурой и морфологией, а, соответственно, и с присущим этим параметрам комплексом физико-химических и физических свойств, определяющих многообразное функциональное назначение покрытий. Поэтому специалист должен владеть комплексом методов для исследования этих параметров и их применения в процессе решения производственных задач. Это позволит ему также определять значащие и доминирующие факторы технологических процессов нанесения покрытий в связи с их функциональностью, организовывать и проводить испытания и контроль в ходе производства пористых наноструктурных неметаллических неорганических покрытий. Основными из таких методов являются разные варианты электронной и оптической микроскопии, рентгеновская дифракция

23 1-й учебный курс 3-го модуля: Свойства и основные области применения наноматериалов и покрытий. Защита интеллектуальной собственности Исследование и изучение свойств наноструктурных неметаллических полифункциональных покрытий заданного качества в связи с реальными условиями и технологическими факторами их получения является приоритетным направлением этого курса. Знания о зависимости формирующихся свойств покрытия (твердости, коррозионной стойкости, адгезии, толщины, пористости, шероховатости, сорбционных и кислотно-основных свойств и др.) от электрических параметров системы и составов электролитов, позволят прогнозировать свойства покрытий. Слушатели также ознакомятся с защитой интеллектуальной собственности в области разработки оборудования, технологии и свойств покрытий.

24 2-й учебный курс 3-го модуля: Метрологическое обеспечение контроля качества материалов, процессов и изделий Цель курса заключается в установлении и применении научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений для обеспечения качества материалов, процессов и изделий. Рассматриваются различные стадии метрологического обеспечения качества продукции, чтобы дать представление о широте его распространения и необходимости применения, как для повышения эффективности деятельности предприятия, так и для достижения более высокой конкурентоспособности продукции на внутреннем и внешнем рынках.

25 Общие требования к выполнению выпускной квалификационной работы Работы могут выполняться как индивидуально, так и группами слушателей, в том числе во время прохождения практических (лабораторных) занятий и стажировки в ООО «Сибспарк». Работа должна соответствовать учебным курсам (темам) предлагаемой программы профессиональной переподготовки и формируемому на этой основе компетентностному профилю – базовым и специальным компетенциям специалиста в области многопрофильного производства пористых наноструктурных неметаллических неорганических покрытий. В качестве выпускной квалификационной работы может быть представлен материал, который в настоящее время используется или будет использован в дальнейшем. Содержание итоговой работы должно отражать дидактические цели и задачи, которые ставятся при преподавании конкретной дисциплины или отдельной темы.

26 Специальные персональные требования к выполнению и оформлению выпускной квалификационной работы Специалист должен показать свои умения в соответствии с компетентностным (квалификационным) профилем УМК, в том числе владение методикой и навыками - формирования неметаллических наноструктурных покрытий в условиях микроплазменного разряда; -выявления влияния электрических параметров на свойства формирующегося покрытия; -выявления связи режимов процесса нанесения покрытий с их качеством и функциональностью, выявление значащих и доминирующих факторов; -контроля свойств формирующегося неметаллического наноструктурного покрытия; -измерения параметров процесса формирования наноструктурных неметаллических неорганических покрытий; -проведения исследований при формировании покрытий; -планирования и прогнозирования свойств формирующихся покрытий; -знаниями об основных функциональных свойствах и перспективных областях применения наноматериалов и покрытий, получаемых в условиях микроплазменного разряда; -измерения износостойкости, термостойкости, пористости, толщины наноструктурных неметаллических неорганических функциональных покрытий на алюминии, титане и цирконии; -исследования элементного состава, структуры и морфологии, адгезии наноструктурных неметаллических неорганических функциональных покрытий на алюминии, титане и цирконии; -проведения коррозионных испытаний наноструктурных неметаллических неорганических функциональных покрытий на алюминии, титане и цирконии.

27 Структура выпускной квалификационной работы Введение. Цель и задачи проекта, защищаемые положения Литературный обзор Описание выбранного метода или методики, используемых материалов и методов измерения. Сбор и обобщение исходной информации. Описание полученных результатов исследования по выбранной теме. Этапы исследования, их промежуточные и конечные результаты, обсуждение Заключение Работа должна быть представлена в распечатанном виде и в виде файла, содержащего отчетные данные. Именем файла должна быть фамилия автора на русском языке.

28 Защита проектных (квалификационных) работ Защита проводится в режиме публичного обсуждения (конференции). Каждому слушателю предстоит публично представлять свой проект. На защите должны присутствовать слушатели учебной группы, преподаватели и не менее половины состава Совета программы. Они будут участвовать в коллективном обсуждении результатов деятельности исполнителя работы. Каждому слушателю рекомендуется подготовить мультимедиа презентацию для представления своей итоговой работы; она будет служить лучшему восприятию представляемой информации всеми присутствующими на защите.

29 Примерная рекомендуемая тематика проектных (квалификационных) работ Формирование неметаллического наноструктурного термостойкого покрытия на цирконии. Формирование неметаллического наноструктурного износостойкого покрытия на алюминии. Оптимизация условий нанесения наноструктурного износостойкого покрытия на алюминии (или вариантах сплавов на основе алюминия - несколько тем) с применением метода оптического измерения микротвердости покрытий. Формирование неметаллического наноструктурного электроизоляционного покрытия на алюминии. Формирование с применением литографии полислойного неметаллического наноструктурированного покрытия на алюминии Формирование неметаллического наноструктурного декоративного покрытия на алюминии в растворах соединений марганца. Формирование неметаллического наноструктурного декоративного покрытия на алюминии в растворах соединений железа.

30 Примерная рекомендуемая тематика проектных (квалификационных) работ Формирование с применением литографии для локального декорирования соединениями железа (или марганца или кобальта или др. – несколько тем) покрытий на алюминии. Формирование неметаллического наноструктурного биокерамического покрытия на титане. Выбор условий формирования наноструктурированных покрытий на металлах (несколько тем) с заданными спектральными и оптическими параметрами. Исследование электрических параметров микроплазменного процесса от времени при формировании неметаллического наноструктурного покрытия. Изучение влияния состава материала подложки на электрические параметры системы при формировании неметаллического наноструктурного покрытия. Исследование взаимосвязи электрических параметров микроплазменного процесса, структуры и морфологии формирующихся покрытий.