Прогнозные материалы развития материаловедения

Эксперты считают вполне реальным при условии весомого финансирования со стороны государства выход украинских ученых на мировой уровень исследований и разработок в ближайшие годы в таких научных направлениях, как технологии наноструктурных компонентов альтернативной энергетики, нанобиотехнологии и материалы для биомедицины, разработка новых медицинских диагностических систем, технологии наноматериалов для защиты окружающей среды.

Прогноз развития наиболее результативных направлений научно-технологических исследований в среднесрочный период (3-5 лет)

Максимально эффективными с точки зрения влияния на развитие экономики страны в среднесрочной перспективе эксперты считают исследование и инновационную деятельность в отрасли материаловедения за такими направлениями:

организация промышленного выпуска конкурентоспособных на сучас
ному мировому рынку материалов и изделий из них - сцинтилляционных,
сверхтвердых, пъезокерамичних, радио поглощающих, ударостойкой и ан
тифрикцийной керамики и композитов, солнечных элементов и других
функциональных материалов;

создание и развитие промышленных технологий переработки и утилизации
отходов и производства материалов из вторичного сырья;

создание и организация производства наноструктурных компонентов
альтернативной энергетики (солнечные батареи, суперконденсаторы, топлив
ни амбарчика и другое);

· разработка новейших материалов и метода защиты деталей и узлов от
сноса и коррозии в экстремальных условиях эксплуатации.

Перспектива реализации этих инновационных программ подтверждается имеющимися научно-технологическими разработками, мощным кадровым потенциалом.

Некоторые эксперты прогнозируют также альтернативные направления развития научно-технической и инновационной деятельности в рамках данного тематического направления, такие как:

развитие отрасли «Фотоніка" и признание ее одним из приоритетных напря
мел развитию отечественной науки и промышленности;

· создание принципиально новых генераторов тепла и электроэнергии при
использовании лучевых процессов (горения пилегазових смесей в
променные солнца, лазера, ионном потоке);

· последующее развитие лазерных, лучевых, ионно-лучевых техно
логий и гибридно-лучевых процессов, разработка для них соответствующего
оборудования, что обеспечит их широкое использование при создании и
обработке новых материалов и изделий;

· создание базы производства современного и перспективного поколения
функциональных материалов.

Приведенная прогнозная оценка развития материаловедения на ближайшее время и перспективу является его оптимистичным вариантом. Он возможен при условиях разработки и реализации научно-технологической и промышленной политики Украины, которая включает в первую очередь финансирование научно-технических разработок на уровне, какой характерный для развития стран мира (2,7-2,8% ВВП). При этом на основные направления исследований и разработок и использования инноваций (аеро-космос, нанонауки и нанотехнологии, биотехнологии, технологии защиты окружающей среды и некоторые другие) должно выделяться возле 50% всех расходов на науку.

Кроме того, эксперты считают, что для государственной поддержки научно-технологической и инновационной деятельности необходимые:

определение долгосрочных приоритетов развития экономики, основанных
на научно-инновационных приоритетах мирового развития с учетом
особенностей и собственных приоритетов развития экономики Украины;

создание Государственного фонда фундаментальных и прикладных исследований
(ДФФПД), непосредственно подчиненного Кабинета Министров Украины.
Создание законодательной базы финансирования ДФФПД и научно-технической
экспертизы проектов, программ и результатов их выполнения;

· разработка и реализация государственной программы (программ), выделение бюджет
их ассигнований и стимулирования внутренних и внешних инвестиций в нау
ку, что обеспечивает развитие экспериментальной базы исследований;

· выделение дополнительного финансирования на обеспечение институтов су
часним оборудованием в рамках создания центров общего користу
вання уникальным оборудованием;

· подготовка для данного тематического направления высококвалифицированных
специалистов в сферах науки, технологии и менеджмента, включая
стажировку за рубежом, обеспечение их достойной заработной платой,
социальными льготами;

стимулирование деятельности технопарков и других инновационных структур или
предоставления (возвращение) им льгот, которые были предусмотрены законодательством Украи
ни, и других форм поощрения потенциальных инвесторов;

•збільшення частицы высокотехнологичной продукции в структуре экспорта.

Выполнение прогноза по оптимистичному сценарию дает возможность разработки новейших технологий и материалов с уникальным комплексом свойств, освоение промышленного производства которых для разных отраслей экономики будет способствовать созданию конкурентоспособных на внешнем и внутреннем рынках оборудования, аппаратов, машин, бытовой техники и товаров.

При условии недостаточного финансирования научно-технической и инновационной деятельности и отсутствия государственной поддержки инициативы ученых относительно коренной перестройки в науке будет реализовываться пессимистический вариант развития: только частичное решение отдельных научно-технологических задач этого новейшего, или не наиболее высокотехнологичного и чрезвычайно перспективного направления, или полная остановка ряда многообещающих исследований, неосвое-нисть в промышленности готовых разработок. Это угрожает серьезным отставанием в технологическом развитии страны: продолжение производства устаревших материалов, использование малоэффективных технологий отразится на уровне конкурентоспособности отечественного оборудования и товаров, обусловит его падение. Это приведет также к снижению количества эффективно работающих предприятий в отраслях металлургии, машиностроения, энергетики, электроники, что будет сопровождаться ростом безработицы, ухудшением жизненного уровня граждан Украины, снижением боеспособности ее вооруженных сил.

Обоснование возможных приоритетов Новые вещества и материалы

Необходимость выделения данного приоритетного направления развития науки и техники диктуется наличием в Украине уникального, по крайней мере для Европы, научно-технического потенциала материаловедения и богатых природных ресурсов, необходимых для практической реализации его возможностей.

В начале XXI века резко растут потребности хозяйственного комплекса Украины - атомной и тепловой энергетики, транспортных систем, авиации, ракето-та судостроения, машино- и приборостроения, медицинской техники, электроники, химического машиностроения и тому подобное - в металлических и неметаллических материалах, которые способны работать при высоких и низких температурах, в вакууме и в агрессивных средах, длительное время выдерживать статические и динамические нагрузки. Эти требования можно удовлетворить лишь существенным усовершенствованием существующих технологических процессов, а также поиском и разработкой новых, более прогрессивных средств как создания, так и производства материалов с заданными свойствами, а также конструкций из них для разных отраслей хозяйства.

Хотя в ближайшие 25-30 лет прогнозируется увеличение частицы неметаллических материалов, объем металлов среди всего массива конструкционных материалов сохранится на уровне 70-75%. На сегодня в странах СНГ из металлов (сталь, сплавы алюминия, титана) изготовляется 96-98% конструкций; в США, Японии, странах ЕС этот показатель составляет 85-90%. Аналитические исследования подтверждают прямую зависимость между увеличением потребления стали и общим экономическим уровнем стран, которые имеют высокие темпы роста валового внутреннего продукта. Прогресс в этом направлении заключается в расширении применения высокопрочных мало легированных, а также легированных и высоколегированных сталей, алюминиевых сплавов, сплавов на основе титана и других конструкционных материалов. Доминирующие позиции при изготовлении металлических конструкций занимают технологии сварки.

Значительные перспективы имеет развитие технологий создания композитов, кер-метив и керамических материалов, что позволяет значительно уменьшить материалоемнисть конечных изделий, расширить температурный диапазон эксплуатации, открыть дорогу для широкого использования изделий из новейшей керамики за счет существенного повышения ее надежности. Важным направлением является развитие новых технологий получении материалов инструментального назначения.

Современные технологии изготовления композиционных и порошковых материалов позволяют получить новое поколение материалов фрикционного и антифрикционного назначения, обеспечить высокую удельную жесткость, демпфирующую способность и другие специальные свойства.

Одним из важных направлений является создание оптических и сцинтилляционных материалов с широким комплексом функциональных свойств для копмъютерной томографии, цифровой рентгеновской и гаммарадиографии, дефектоскопии, нейтронной спектрометрии, твердотельных лазерных источников света.

Важным направлением является разработка новых материалов и технологий биомеди-чного назначения с целью расширенного использования биомедицинских изделий отечественного производства.

Создание новых экономически целесообразных водородно-энергетических технологий невозможное без разработки ряда высокоэффективных дешевых материалов: метало гидридов, накопителей водорода, материалов топливных элементов, низько- и высокотемпературных ионных проводников, электродов, сенсоров водорода, стойких в водороде конструкционных материалов и методов их соединения.

Перспективным является получение материалов в наноструктурном состоянии: нано-вимирних порошков, тонких пленок, слоистых структур. Потому важным является развитие нанотехнологий, создание многофункциональных материалов со сверхвысоким уровнем свойств для электроники, биомедицины, энергетики.

Современная промышленность требует от конструкционных, композитных и функциональных материалов и их соединений точного соблюдения форм и размеров, заданного уровня експлуатацийних свойств, а также специальных свойств поверхностей материалов. Высокая локальность и плотность энергии лазерного излучения и электронного пучка позволяют значительно повысить производительность обработки и достичь качественно новых уровней свойств материалов, которые обрабатываются. Принципиально новый уровень свойств поверхностей изделий достигается за счет нанесения покрытий, которые могут иметь износостойкое, антифрикционное, оптическое, защитное назначение.

Особенное значение для Украины приобретают проблемы остаточного ресурса. По оценке специалистов, техническое состояние сооружений, конструкций, оборудования и инженерных сетей в основных отраслях экономики достигло критической границы, что угрожает ее постоянному функционированию, повышает вероятность возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций техногенного характера. Учитывая чрезвычайно низкие темпы возобновления первоочередным заданием есть обеспечение надежной эксплуатации существующего фонда сооружений и конструкций, разработка методологических основ оценки и технической диагностики состояния и обґрунтування безопасного срока эксплуатации, разработка эффективных методов, технических средств, материалов и технологий для оценки и продолжения ресурса техногенно- и экологически опасных объектов, от которых зависит удовлетворение базовых потребностей жизнедеятельности страны.

Исходя из этого, в среднесрочной перспективе предлагается признать приоритетными исследования в таких отраслях материаловедения:

. металлические конструкционные материалы, технологии их получения, и

соединения и обработка;

. нанотехнологии и новые материалы, созданные на их основе;

. функциональные материалы и методы их получения, технологии изготовления ударо- и износостойких композитов, сверхтвердых материалов;

· физико-химическая механика разрушения и прочности материалов и их неразъемных соединений;

. физические основы и технологии диагностирования свойств материалов;

.мониторинг технического состояния и определения остаточного ресурса
конструкций;

. новые высокоэффективные технологии обработки материалов и нанесения покрытий с особыми свойствами;

.перспективные материалы для потребностей водородной энергетики;

.материалы биомедицинского назначения и новые технологии неразъемного
соединения живых тканей.

РЕЗЮМЕ

Приводятся прогнозные материалы оптимистического и пессимистического вариантов развития в Украине материаловедения функциональных материалов на долгосрочный (15-20 течение) и краткосрочный (3-5 течение) периоды. Представлены основные тематические направления научно-технологических исследований и конкретные технологии, которые будут способствовать инновационному развитию украинской экономики. Предложены мероприятия по государственной поддержке научно-технологической и инновационной деятельности в Украине.

There are shown forecast materials of optimistic and pessimistic versions of materials science of functional materials in Ukraine for long-term (15-20 years) and short-term (3~5 years) periods. Main thematic directions of scientific and technological investigations and real technologies are demonstrated. There are proposed activities on state support of scientific and technological and innovation policy in Ukraine.

10.4 Прогнозні матеріали развитку матеріалознавства (переклад)

Вчені прогнозують, що в найближчий час і на перспективу вирішальним фак­тором, який визначатиме рівень різних галузей економіки, будуть розробка та впро­вадження нанотехнологій та наноструктурних матеріалів. Експерти вважають, що стратегічний напрям в матеріалознавстві „Нанонауки, нанотехнології, нові матеріа­ли і технології їх виробництва та обробки" необхідно внести до Закону України „Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки". Формулювання, яке пропону­ється, близьке до формулювання відповідного напряму Сьомої рамкової програми Євросоюзу, а це стратегічно важливо. Більше того, акцент на терміни „наш" і „нові матеріали" відкриває можливість комплексування з іншими пріоритетними (страте­гічними) напрямками: фундаментальними природничими дослідженнями; з енерго-безпеки і енергозберігання, захисту довкілля, захисту здоров'я, біології та біомеди-цини, інформаційних технологій. Також стратегічно важливо, щоб державні науково-технічні програми за цими напрямами виконувалися комплексно, взаємо-доповнювально, мультидисциплінарно.

Це допоможе диверсифікувати економіку, сприятиме заміні брудних ви­робництв сучасними чистими технологіями, становленню бізису такої еконо­міки, яка грунтується на знаннях.

З пріоритетного стратегічного напряму розвитку науки і техніки в Україні „Нанонауки, нанотехнології, нові матеріали і технології їх виробництва та об­робки" необхідно сформулювати середньострокові пріоритетні піднапрями розвитку науки і техніки загальнодержавного значення:

нові матеріали функціонального і конструкційного призначення, тех­
нології їх виробництва та обробки, включаючи технології збільшення
ресурсу роботи існуючих матеріалів;

матеріали і нанотехнології систем для виробництва та збереження енер­
гії, включаючи нові водневі технології (збереженні та використання
водневого пального);

наноприлади, наноматеріали та нанотехнології біомедичного призначення
для поліпшення здоров'я людей, діагностики і попередження захворювань;

матеріали і технології для захисту навколишнього середовища;

матеріали і наноприлади для забезпечення інформаційних систем і ко­
мунікацій.

Для реалізації перелічених напрямів необхідна розробка 5-6 державних програм розвитку, які слід частково підпорядкувати Національній академії на­ук і відповідним міністерствам з тим, щоб сформулювати регіональні, галузеві та місцеві пріоритети.

Прогнозується, що в рамках цього стратегічного напряму зусилля вчених будуть спрямовані також на:

розробку нових систем озброєння та безпеки на основі нанотехнології;

створення і розвиток виробництва в основному з української сировини
технічної кераміки, композитів, функціональних, конструкційних, ін­
струментальних матеріалів для всіх галузей машинобудування, енерге­
тики, медицини, сільського господарства, будівництва;

розробку нанобіотехнологій і розвиток матеріалознавства для медицини,
створення комплексу інструментів та елементів пристроїв і приладів ме­
дичного призначення, розробку нових медичних діагностичних систем;

розробку наноприладів, нанороботів (наноботів), в тому числі для хі­рургічних

операцій в судинах та окремих клітинах організму

Експерти вважають цілком реальним за умови вагомого фінансування з боку держави вихід українських вчених на світовий рівень досліджень і розробок у най­ближчі роки в таких наукових напрямах, як технології наноструктурних компонен­тів альтернативної енергетики, нанобіотехнології і матеріали для біомедицини, роз­робка нових медичних діагностичних систем, технології наноматеріалів для захисту навколишнього середовища.

Прогноз розвитку найбільш результативних напрямів науково-технологічних досліджень у середньостроковий період (3-5 років)

Максимально ефективними з точки зору впливу на розвиток економіки країни в середньостроковій перспективі експерти вважають дослідження та інноваційну діяльність в галузі матеріалознавства за такими напрямами:

організація промислового випуску конкурентоспроможних на сучас­
ному світовому ринку матеріалів та виробів з них — сцинтиляційних,
надтвердих, п'єзокерамічних, радіо поглинаючих, ударостійкої й ан­
тифрикційної кераміки та композитів, сонячних елементів та інших
функціональних матеріалів;

створення та розвиток промислових технологій переробки й утилізації
відходів та виробництва матеріалів із вторинної сировини;

створення і організація виробництва наноструктурних компонентів
альтернативної енергетики (сонячні батареї, суперконденсатори, палив­
ні комірки та інше);

розробка новітніх матеріалів та методу захисту деталей і вузлів від
зносу та корозії в екстремальних умовах експлуатації.

Перспектива реалізації цих інноваційних програм підтверджується наяв­ними науково-технологічними розробками, потужним кадровим потенціалом.

Деякі експерти прогнозують також альтернативні напрями розвитку науково-технічної та інноваційної діяльності в рамках даного тематичного напрямку, такі як:

розвиток галузі „Фотоніка" і визнання її одним з пріоритетних напря­
мів розвитку вітчизняної науки та промисловості;

створення принципово нових генераторів тепла та електроенергії при
використанні променевих процесів (горіння пилегазових сумішей в
промінні сонця, лазера, іонному потоці);

подальший розвиток лазерних, променевих, іонно-променевих техно­
логій та гібридно-променевих процесів, розробка для них відповідного
обладнання, що забезпечить їх широке використання при створенні та
обробці нових матеріалів і виробів;

створення бази виробництва сучасного та перспективного покоління
функціональних матеріалів.

Наведена прогнозна оцінка розвитку матеріалознавства на найближчий час і перспективу є його оптимістичним варіантом. Він можливий за умов розробки та реалізації науково-технологічної та промислової політики Украї­ни, яка включає в першу чергу фінансування науково-технічних розробок на рівні, який характерний для розвитку країн світу (2,7-2,8% ВВП). При цьому на основні напрямки досліджень й розробок та використання інновацій (аеро-космос, нанонауки і нанотехнології, біотехнології, технології захисту довкілля та деякі інші) повинно виділятися біля 50% всіх витрат на науку.

Крім того, експерти вважають, що для державної підтримки науково-технологічної та інноваційної діяльності необхідні:

визначення довготермінових пріоритетів розвитку економіки, основаних на науково-інноваційних пріоритетах світового розвитку з врахуванням особливостей і власних пріоритетів розвитку економіки України;

створення Державного фонду фундаментальних та прикладних досліджень (ДФФПД), безпосередньо підпорядкованого Кабінету Міністрів України.
Створення законодавчої бази фінансування ДФФПД та науково-технічної експертизи проектів, програм та результатів їх виконання;

розробка та реалізація державної програми (програм), виділення бюджет­ них асигнувань та стимулювання внутрішніх і зовнішніх інвестицій в науку, що забезпечує розвиток експериментальної бази досліджень;

виділення додаткового фінансування на забезпечення інститутів сучасним обладнанням в рамках створення центрів спільного користування унікальним обладнанням;

підготовка для даного тематичного напряму висококваліфікованих спеціалістів у сферах науки, технології і менеджменту, включаючи стажування за кордоном, забезпечення їх гідною заробітною платою, соціальними пільгами;

стимулювання діяльності технопарків та інших інноваційних структур або надання (повернення) їм пільг, що були передбачені законодавством Украї­ни, та інших форм заохочення потенційних інвесторів;

• збільшення частки високотехнологічної продукції в структурі експорту.

Виконання прогнозу за оптимістичним сценарієм дає можливість розроб­ки новітніх технологій та матеріалів з унікальним комплексом властивостей, освоєння промислового виробництва яких для різних галузей економіки буде сприяти створенню конкурентоспроможних на зовнішньому та внутрішньому ринках устаткування, апаратів, машин, побутової техніки і товарів.

За умови недостатнього фінансування науково-технічної та інноваційної діяльності та відсутності державної підтримки ініціативи вчених щодо корін­ної перебудови в науці буде реалізовуватись песимістичний варіант розвит­ку: тільки часткове вирішення окремих науково-технологічних задач цього новітнього, чи не найбільш високотехнологічного і надзвичайно перспектив­ного напряму, або повна зупинка ряду багатообіцяючих досліджень, неосвоє-ність в промисловості готових розробок. Це загрожує серйозним відставанням у технологічному розвитку країни: продовження виробництва застарілих мате­ріалів, використання малоефективних технологій позначиться на рівні конку­рентоспроможності вітчизняного устаткування і товарів, зумовить його падін­ня. Це призведе також до зниження кількості ефективно працюючих підприємств в галузях металургії, машинобудування, енергетики, електроніки, що буде супроводжуватися зростанням безробіття, погіршенням життєвого рівня громадян України, зниженням боєздатності її збройних сил.

Виходячи з цього, у середньостроковій перспективі пропонується визнати пріоритетними дослідження у таких галузях матеріалознавства:

металеві конструкційні матеріали, технології їх одержання, з єднання і обробка;

нанотехнології та нові матеріали, створені на їх основі;

функціональні матеріали і методи їх одержання, технології виробницт­ва ударо- і зносостійких композитів, надтвердих матеріалів;

фізико-хімічна механіка руйнування та міцності матеріалів і їх нероз'ємних з'єднань;

фізичні основи та технології діагностування властивостей матеріалів;

моніторинг технічного стану та визначення залишкового ресурсу конструкцій;

нові високоефективні технології обробки матеріалів і нанесення покриттів з особливими властивостями;

перспективні матеріали для потреб водневої енергетики;

матеріали біомедичного призначення та нові технології нероз'ємного з'єднання живих тканин.