Abstrakt VÝZKUM MATERIÁLŮ V NÁRODNÍM PROGRAMU ORIENTOVANÉHO VÝZKUMU A VÝVOJE Tasilo Prnka TASTECH, Květná 441, 763 21 Slavičín, E-mail: mail.tastech@worldonline.cz V roce 2001 byl zpracován poprvé návrh Národního programu orientovaného výzkumného programu České republiky (NPOVaV). Předložená práce podává přehled o jeho struktuře jak v celku, tak se zaměřením na výzkum materiálů a technologií jejich výroby. NPOVaV sestává z pěti tematických a tří horizontálních programů. Výzkum pokrokových materiálů je prezentován v tematickém programu III. Konkurenceschopnost a udržitelný rozvoj, především v dílčím programu č.4 Nové materiály (materiály s vysokým poměrem pevnosthustota, materiály pro vysoké teploty a tlaky, technické polymery a jejich kompozity, progresivní keramické materiály, materiály pro biomedicínské aplikace, progresivní materiály pro stavby a konstrukce, elektronické a fotonické materiály a struktury). Výzkum tradičních materiálů (ocel, sklo, textil) je zahrnut do dílčího programu č. 1 Výrobní procesy a systémy. Je potěšitelné, že NPOVaV bude podporovat v dílčím programu č.5 Nastupující technologie i velmi perspektivní oblasti výzkumu nanotechnologie, nanomateriály a inteligentní materiály. Podle plánu, NPOVaV měl být vládě ČR předložen k projednání v dubnu 2002. Realizace programu se očekává v roce 2003. Abstract The National Oriented Research and Development Programme (NOR&DP) has been elaborated during 2001. The structure of NOR&DP is described in this paper with special attention on the materials research area. The programme consists of five thematic programmes, which have been further divided into sub-programmes, and three horizontal programmes. There are priority key research directions for individual sub-programmes, which have been selected by groups of experts from a large number of topics. Research of advanced materials is presented namely in thematic programme III. Competitiveness and a sustainable development, namely in the sub-programme No.4 New materials (Materials of a high strength/density ratio, Materials for high temperatures and stresses, Technical polymers and their composites, Advanced ceramic materials, Materials for the biomedical applications, Progressive materials for buildings and constructions, Electronic and photonic materials and structures). The research of advanced steel, glass and textile materials and their production technologies is covered in the sub-programme No.1 Production processes and systems. It is very agreeable that areas with bright perspective like nanotechnologies, nanomaterials and smart materials will be supported in the sub-programme No.5 Emerging technologies. According to the plan, NOR&DP should be presented to the Government of the Czech Republic for approving in April 2002. The realisation of the programme is envisaged from 2003. 1
1. ÚVOD Materiály se všeobecně pokládají za klíč k inovacím 21.století. Většina průmyslově vyspělých států podporuje adresně výzkum a aplikaci materiálů v rámci národních programů výzkumu a vývoje (s výjimkou ČR). V současné době jsou hnacími silami obrovského rozvoje materiálů a technologií jejich výroby, materiálových věd a materiálového inženýrství: globální problémy (přelidnění, ekologická krize a problém energetických zdrojů, konflikty a nebezpečí války) tlak vědy a jejích poznatků (nové poznatky a objevy základního výzkumu) vliv trhu a ekonomických stimulů (potřeba stále pevnějších, lehčích, spolehlivějších, odolnějších a levnějších materiálů) megaprojekty (realizace technicky i finančně extrémně náročných projektů, např. v kosmickém výzkumu) vliv nastupujících technologií (informační technologie, superpočítače, inteligentní materiály a systémy, nanotechnologie, biotechnologie) Z uvedených hnacích sil se v následujícím období projeví v České republice pravděpodobně tlak vědy, vliv trhu a vliv nastupujících technologií. Zejména dva poslední vlivy se uplatní jak v tradičním průmyslu vyrábějícím základní materiály hromadné spotřeby, tak v aktivitách malých a středních podniků. Tlak na zavádění nových výrobků s vyšší přidanou hodnotou a snižování výrobních nákladů bude v brzké době v České republice umocněn postupnou ztrátou komparativních výhod, jako jsou nízká cena práce a relativně nízká cena energií. V oblasti orientovaného výzkumu a vývoje bude mít velký význam zahájení a provádění Národního programu orientovaného výzkumu a vývoje, který poprvé bude orientovat vědecké a.výzkumné pracovníky na řešení klíčových výzkumných směrů, s cílem vytvoření podmínek pro praktickou aplikaci výsledků výzkumu. Je pravděpodobné, že systém priorit, zavedený v NPOVaV, bude alespoň v určité míře postupně uplatněn v systému GA AV ČR a GA ČR. V rozsáhlé míře bude uplatněno vytváření výzkumných konsorcií, výzkumných center zaměřených na výzkumné priority a modifikován systém výzkumných záměrů. Usnesením vlády České republiky č. 16 z 5.ledna 2000 byla schválena Národní politika výzkumu a vývoje, která určila i základní strukturu a poslání orientovaného výzkumu a vývoje /1/. Vláda současně uložila Ministerstvu školství, mládeže a tělovýchovy (MŠMT) a Radě vlády pro výzkum a vývoj vypracovat podrobný návrh priorit (dílčích programů) Národního programu orientovaného výzkumu a vývoje (NPOVaV), včetně návrhu implementace programu a jeho řízení. MŠMT pověřilo na základě výsledku výběrového řízení vypracováním návrhu programu konsorcium sestávající z Technologického centra AV ČR a Inženýrské akademie ČR. Do přípravy návrhu NPOVaV, která proběhla v roce 2001, se postupně zapojilo přibližně 500 českých odborníků z průmyslu, výzkumu a vývoje, státní správy a dalších organizací a institucí, ve spolupráci s panelem zahraničních expertů. V předložené práci je podána stručná informace o tom, jak je do programu zařazena oblast materiálového výzkumu a vývoje. 2. STRUKTURA NÁVRHU NPOVaV Navržená struktura NPOVaV je znázorněna v tab. I. /2/ Program sestává z pěti tematických a tří průřezových programů., které zahrnují všechny podstatné oblasti. Každý tematický program je rozdělen na několik dílčích programů, které obsahují tzv. klíčové výzkumné směry (KVS). Pro každý klíčový výzkumný směr byly zpracovány identifikační listy, které podávají jeho stručnou charakteristiku, důvody jeho výběru a další informace. V rámci průřezových směrů byl zformulován návrh systémových opatření. 2
Tab.I. - Struktura Národního programu orientovaného výzkumu a vývoje ČR Tematický program I.: Kvalita života 1. Zdraví obyvatel 2. Kvalitní a bezpečná výživa obyvatel 3. Krajina a sídla budoucnosti 4. Životní prostředí a ochrana přírodních zdrojů Tematický program II.: Informační společnost 1. Inteligentní systémy pro rozhodování, řízení a diagnostiku 2. Management informací a znalostí 3. Komunikační infrastruktura a technologie 4. Počítačové modelování a návrh systémů a procesů Tematický program III.: Konkurenceschopnost a udržitelný rozvoj 1. Výrobní procesy a systémy 2. Bezpečná a ekonomická doprava 3. Stavby a konstrukce 4. Nové materiály 5. Nastupující technologie 6. Využití přírodních zdrojů Tematický program IV.: Energie pro ekonomiku a společnost 1. Bezpečná a efektivní jaderná energetika 2. Energetické a neenergetické využití uhlí a uhlíkatých surovin 3. Racionální využití energie a obnovitelné a energetické zdroje Tematický program V.: Moderní společnost a její proměny 1. Výkonově orientovaná, bezpečná a evropsky integrovaná společnost 2. Sociální soudržnost, sociální diferenciace a národní identita Průřezový program I.: Lidské zdroje pro výzkum a vývoj: Průřezový program II.: Integrovaný výzkum a vývoj Průřezový program III.: Regionální a mezinárodní spolupráce ve výzkumu a vývoji 3. MATERIÁLOVÝ VÝZKUM V NPOVaV Klíčové výzkumné směry charakteru převážně materiálového výzkumu nalezneme v několika dílčích programech tematického programu III: Konkurenceschopnost a udržitelný rozvoj : a) V dílčím programu 1. Výrobní procesy a systémy jsou to KVS: Textilní materiály a jejich technologie Pokročilé oceli a související technologie Anorganická skla a jejich technologie Progresivní technologie obrábění, dělení, spojování a beztřískového zpracování materiálu b) V dílčím programu 4. Nové materiály jsou to KVS: Materiály s vysokým poměrem pevnost-hustota Materiály pro vysoké teploty a tlaky Technické polymery a jejich kompozity 3
Progresivní keramické materiály Materiály pro biomedicínské aplikace Progresivní materiály pro stavby a konstrukce Elektronické a fotonické materiály a struktury c) V dílčím programu 5. Nastupující technologie jsou to KVS: Nanotechnologie a nanomateriály Inteligentní materiály a struktury Zatím co v dílčím programu 1. jde o výzkumnou podporu tradičních odvětví českého průmyslu, v dílčím programu 4. se jedná o výzkum a vývoj moderních pokrokových materiálů s vysokou přidanou hodnotou, které budou využity v různých odvětvích. KVS zařazené do dílčího programu 5. patří mezi strategické směry, jimž se dává v celosvětovém měřítku nejvyšší priorita a jsou rovněž obsaženy v návrhu 6.rámcového programu výzkumu EU, v třetí prioritní tematické oblasti specifického programu Integrace a posílení Evropského výzkumného prostoru ( Nanotechnologie, inteligentní materiály a nové výrobní postupy ) /3/.. 4. VÝZKUMNÉ PRIORITY KLÍČOVÝCH VYZKUMNÝCH SMĚRŮ V rámci jednotlivých klíčových výzkumných směrů byly materiálovým panelem odborníků doporučeny následující výzkumné priority: 4.1. Textilní materiály a jejich technologie a) Výzkum textilních materiálů pro stavebnictví b) Výzkum textilních materiálů pro zdravotnictví c) Výzkum tepelně izolačních fólií a textilií d) Výzkum pokrokových technologií spřádání, pletení a tkaní e) Výzkum ekologických aspektů výroby, zpracování a úpravy textilních materiálů f) Výzkum zušlechťování textilních materiálů 4.2. Pokročilé oceli a související technologie a) Výzkum spojitých metalurgických technologií b) Výzkum způsobů zpracování metalurgických odpadů c) Zvýšení užitných vlastností ocelových výrobků d) Modelování a řízení metalurgických procesů 4.3. Anorganická skla a jejich technologie a) Intenzifikace výroby skla při současném zlepšení ekologických podmínek výroby b) Výzkum vitrifikace nebezpečných odpadů c) Výzkum možností zvýšení chemické odolnosti a mechanických vlastností užitkového a technického skla d) Výzkum povrchových úprav skla a vytváření speciálních skleněných vrstev na kovových, keramických a dalších substrátech s využitím v lékařství, elektronice a optoelektronice e) Výzkum inteligentních skel f) Výzkum technologie výroby a vlastností materiálů skelných vláken 4.4. Progresivní technologie obrábění, dělení, spojování a beztřískového zpracování materiálu a) Výzkum vysokorychlostního řezání b) Výzkum suchého a tvrdého obrábění c) Výzkum progresivních nástrojových materiálů d) Moderní technologie svařování (laser, plazma, friction stirr welding atd.) e) Výzkum svařitelnosti obtížně svařitelných materiálů f) Výzkum progresivních metod pájení materiálů 4
g) Výzkum progresivních metod lepení materiálů h) Výzkum spojování kompozitních a hybridních materiálů i) Výzkum progresivních způsobů tváření materiálů (hydroforming, superplastické tváření, tváření v polotekutém stavu, vibrační tváření apod.) j) Výzkum pokrokových slévárenských technologií 4.5. Materiály s vysokým poměrem pevnost-hustota a) Slitiny Al s vyšším poměrem pevnost-hustota b) Slitiny Mg s vyšším poměrem pevnost hustota c) Kompozity s kovovou matricí zpevněnou částicemi nebo vlákny d) Kompozity uhlík-uhlíkové vlákno e) Vlákna pro zpevňování kompozitů f) Intermetalické sloučeniny pro vysoká provozní namáhání a obtížná prostředí. 4.6. Materiály pro vysoké teploty a tlaky a) Výzkum a vývoj modifikovaných feritických litých i tvářených žárupevných ocelí b) Výzkum a vývoj vysocelegovaných žárupevných slitin, včetně netradičních technologií výroby komponent z těchto materiálů c) Výzkum a vývoj kompozitních materiálů pro vysoké teploty a vývoj postupů jejich výroby d) Výzkum a vývoj intermetalických sloučenin a vývoj technologií jejich výroby 4.7. Technické polymery a jejich kompozity a) Optimalizace vlastností polymerů, polymerních matric, částicových a vláknových plniv s potřebnou tuhostí, pevností a vlastnostmi povrchů. b) Zvládnutí teoretických a technologických problémů kompaundování (polymer-polymer, polymer-plniva) a vyztužování dlouhými vlákny. c) Zvládnutí fyzikálně-chemických, fyzikálních a inženýrských problémů zpracování polymerů a kompozitů do požadovaného tvaru při minimalizaci technologických defektů d) Vývoj konstrukčních zásad opírajících se o experimentálně stanovené materiálové charakteristiky a teoreticky zdůvodněné modelové výpočty, umožňující optimalizaci tvarového řešení a vysokou životnost a spolehlivost výrobků. e) Výzkum vlastností recyklovaných polymerních materiálů a způsobů zlepšování jejich vlastností. f) Výzkum přípravy, struktury a vlastností polymerních materiálů se speciálními vlastnostmi (např. biokompatibilní polymery, materiály pro tribologické aplikace aj.) g) Výzkum degradačních procesů v polymerních materiálech včetně mechanismů iniciace a šíření trhlin 4.8. Progresivní keramické materiály a) Elektrokeramické materiály pro informační a telekomunikační technologie b) Oxidové a neoxidové kompozitní konstrukční materiály c) Elektrochemicky aktivní keramické materiály pro energetické a chemické aplikace d) Biokeramické materiály a jejich aplikace e) Keramické povlaky pro optické, tepelné, konstrukční a ekologické aplikace f) Spojování keramických a kovových materiálů 4.9. Materiály pro biomedicínské aplikace a) Vývoj kloubních a skeletálních náhrad nové generace b) Výzkum kompatibility systému implantát-tkáň c) Výzkum biomechaniky pohybového aparátu d) Výzkum náhrady tkání a orgánových struktur (tkáňové inženýrství) e) Výzkum a vývoj nosičů léků (targeting) f) Výzkum materiálů a systémů pro implantovatelná zařízení (např. kardiostimulátory nové generace, inzulínové pumpy aj.) 5
4.10. Progresivní materiály pro stavby a konstrukce a) Kompozitní materiály a materiály s pamětí pro stavební konstrukce a rekonstrukce b) Výzkum a vývoj progresivních betonů c) Výzkum mechanismů poškozování železobetonu a zvyšování jeho odolnosti proti vlivu prostředí d) Výzkum technologie zpracování odpadních hmot (škvára, popílek, suť, sádrovec, dřevní hmota atd.) na materiály pro stavební účely e) Výzkum stavebních materiálů odolných proti požáru f) Výzkum degradace stavebních materiálů a konstrukcí 4.11. Elektronické a fotonické materiály a struktury a) Nanotechnologie a nanokompozity pro elektroniku a fotoniku b) Funkční struktury na bázi uhlíku: fullereny, nanotrubice, koloidní uhlíkové systémy c) Supramolekulární architektury pro elektroniku a fotoniku d) Molekulární elektronika a fotonika e) Výzkum elektroaktivních polymerů f) Biomimetické materiály v elektronice g) Mikro- a nanoelektromechanické systémy 4.12. Nanotechnologie a nanomateriály a) Dlouhodobý výzkum struktur a jevů probíhajících v nanorozměrech b) Nanobiotechnologie c) Inženýrské způsoby vytváření materiálů a systémů v nanorozměrech d) Vývoj zkušebních a manipulačních zařízení a přístrojů e) Aplikace v oblastech jako jsou zdravotnictví, chemie, energetika, strojírenství, elektronika, optika a životní prostředí 4.13. Inteligentní materiály a struktury a) Výzkum základních fyzikálně-chemických a biologických vlastností inteligentních materiálů b) Výzkum a aplikace materiálů s tvarovou pamětí c) Výzkum a aplikace vodivých plastů d) Výzkum a vývoj inteligentních struktur pro použití ve stavebnictví a strojírenství e) Výzkum aplikace inteligentních materiálů a struktur v senzorech Uvedené priority budou ještě předmětem diskuse před vyhlašováním výzev k podávání návrhů projektů. 5. ZÁVĚR Poprvé v historii České republiky byl zpracován návrh Národního programu orientovaného výzkumu a vývoje. Ve shodě se světovými trendy tvoří jeho důležitou část výzkum materiálů a technologií jejich výroby a zpracování. Výzkum pokrokových materiálů je prezentován v tematickém programu III. Konkurenceschopnost a udržitelný rozvoj především v dílčím programu č.4 Nové materiály. Výzkum tradičních materiálů (ocel, sklo, textil) je zahrnut do dílčího programu č. 1 Výrobní procesy a systémy. Je potěšitelné, že NPOVaV bude podporovat v dílčím programu č.5 Nastupující technologie i velmi perspektivní oblasti výzkumu nanotechnologie, nanomateriály a inteligentní materiály. Předpokládá se, že ve všech podstatných odvětvích budou v budoucnu zpracovány odborně zaměřené předpovědi budoucího vývoje (foresight, roadmaps) a nejinak by tomu mělo být i v oboru materiálů. Předpovědi by měly být zaměřeny nejen na pokrokové materiály a technologie, ale měly by být zpracovány i pro tradiční obory, jako jsou technologie výroby a zpracování oceli, hliníku, skla, plastů a polymerů, zpracování přírodních surovin apod., 6
protože, souběžně s růstem vědeckých poznatků, se ukazuje stále jejich značný rozvojový potenciál. Postupný rozvoj lze očekávat ve všech základních kovových i nekovových materiálech. Intenzivní růst výroby a aplikací se předpokládá zejména u plastů a polymerů, polovodičů a pokrokové keramiky. Rozsáhle podporované výzkumné programy orientovaného základního výzkum, zejména v EU, USA a Japonsku, se téměř převážně orientují v oboru materiálů na nanomateriály a nanotechnologie, inteligentní materiály a systémy, biotechnologie a biomateriály a na hledání zcela nových principů hromadné výroby materiálů a výrobků. Zejména v souvislosti s účastí ČR v připravovaném 6. rámcovém programu výzkumu a technického rozvoje EU bude nutné co nejdříve vypracovat výzkumné koncepce v oblasti nanotechnologií, inteligentních materiálů, materiálů pro informační technologie, biomateriálů a pokrokových způsobů výroby, které by byly aplikovatelné v reálných podmínkách českých výzkumných pracovišť, s přihlédnutím k potenciální aplikační sféře 6. LITERATURA A INTERNET 1a. www.vyzkum.cz b. PRNKA, T., ŠPERLINK, K., KŘENEK, P.: Průvodce systémem státní podpory výzkumu a vývoje v ČR 2000, vyd. Repronis Ostrava, 2000, 228 str., ISBN 80-86122-55-7 2a. www.foresight.cz b. PRNKA, T., ŠPERLINK, K., KŘENEK, P.: Průvodce systémem státní podpory výzkumu a vývoje v ČR 2002, vyd. Repronis Ostrava, 2002, 160 str., ISBN 80-86122-99-9 3. Šestý rámcový program evropského výzkumu základní informace, vyd. Repronis Ostrava, 2001, 60 str., ISBN 80-86122-95-6 7