X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

ВВЕДЕНИЕ

Нанотехнологии – это одно из ключевых направлений развития современных промышленности и общества, путь к управляемому синтезу молекулярных структур, призванный обеспечить получение объектов любого назначения не из обычных сырьевых ресурсов, а непосредственно из атомов и молекул с помощью машин – сборщиков, оборудованных системами искусственного интеллекта.

Нанотехнологии в строительствепроявляются в основном в создании наноматериалов. Главным направлением в этой области является создание различных материалов со сложной структурой и уникальными прочностными или температурными свойствами. И уже в настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку методов наноструктурного модифицирования материалов, изучение количественных и качественных изменений их важнейших свойств и разработку технологических процессов получения различных видов строительных материалов, изделий и конструкций с улучшенными физико - механическими характеристиками.

1. НАНОМАТЕРИАЛЫ И ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ИХ УНИКАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА.

Впервые концепция наноматериалов была сформулирована в 80-х годах ХХ века Г.Глейтером, который ввел в научный обиход и сам термин – «наноматериал». К наноматериалам относят нанополупроводники, нанополимеры, нанопористые материалы, нанопорошки, многочисленные углеродные наноструктуры и супрамолекулярные структуры.

Факторами, определяющими уникальные свойства наноматериалов, являются размерные, электронные и квантовые эффекты образующих их кластеров, а также их очень развитая поверхность. Многочисленными исследованиями показано, что значительные и технически интересные изменения физико-механических свойств наноматериалов (прочность, твердость и т.д.) происходят в интервале размеров частиц от нескольких нанометров до 100 нм. Однако в настоящее время уже получены многие наноматериалы с размером кристаллитов около 1-2 нм и менее. Благодаря специфическим свойствам наночастиц, лежащих в их основе, такие материалы часто превосходят «обычные» по многим параметрам. Например, прочность металла, полученного средствами нанотехнологии, превышает прочность обычного в 1,5 – 3 раза, его твердость больше в 50 – 70 раз, а коррозийная стойкость – в 10 – 12 раз.

2. СТРУКТУРА НАНОМАТЕРИАЛОВ

Существует несколько подходов к определению понятия «наноматериал».

Самый простой подход связан с геометрическими параметрами, в соответствии с которыми материалы с характерным размеров структурных элементов в диапазоне от 1 до 100 нм называют наноструктурными.

Второй подход в описании наноматериалов связан со значительной ролью в формировании свойств наноматериалов, многочисленных поверхностей раздела. При этом наибольшее изменение свойств происходит в случае, когда объемная доля поверхностей раздела в общем объеме материала составляет более 50%.

Наноструктурное состояние твердых тел принципиально отличается от кристаллического или аморфного. На их основе можно создавать материалы с новыми механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Наноструктуры можно считать уникальным состоянием вещества, особенно перспективным для новых, потенциально очень полезных и востребованных материалов и изделий.

Особенностью наноматериалов является увеличение объемной доли границ раздела с уменьшением размера зерен или кристаллов. Экспериментальные исследования показали, что границы зерен носят неравновесный характер, обусловленный присутствием высокой концентрации зернограничных дефектов. Эта неравновесность характеризуется избыточной энергией границ зерен и наличием дальнодействующих упругих напряжений. В то же время границы зерен имеют кристаллографически упорядоченное строение, а источниками упругих полей выступают зернограничные дефекты. Неравновесность границ зерен вызывает искажения кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, вплоть до потери упорядоченности. Результатом является значительное повышение микротвердости.

Важным фактором, действующим в наноматериалах, является также склонность к появлению кластеров (скоплений атомов, молекул). Облегчение миграции атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела, а также наличие сил притяжения между ними, часто приводят к процессам самоорганизации кластерных структур.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

В силу особенностей своей структуры наносистемы, как правило, являются термодинамически неравновесными. Обычно, когда речь идет о неравновесном метастабильном состоянии предполагается, что ему может соответствовать некоторое реально существующее равновесное состояние.

Особенность нанокристаллического состояния по сравнению с другими известными неравновесными метастабильными состояниями вещества заключается в отсутствии соответствующего ему по структуре и развитости границ равновесного состояния.

Наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий

Первая категория наноматериалов включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нановолокна, нанопроволоки, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки).

Наноматериалы с большим числом структурных элементов или наноматериалы в виде микроизделий

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с размеров в примерном диапазоне 1мкм-1мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги.

Наноматериалы с очень большим числом наноразмерных элементов

Третья категория представляет собой массивные наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких миллиметров). Такие материалы фактически являются поликристаллическими с размером зерна 1-100 нм.

В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса.

В первый класс входят однофазные материалы, структура и (или) химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Они находятся в неравновесном состоянии. К таким материалам относятся, например, стекла.

Ко второму классу можно отнести многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.

Четвертая категория включает композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов из первой и второй категорий.

4. КЛАСТЕРЫ

Термин «кластер» происходит от английского «cluster» - скопление. В металловедении таким термином называют соединения, в которых атомы металлов образуют химическую связь между собой.

В основу классификации нанокластеров и наноструктур целесообразно положить способы их получения. Это определяет также разграничение на изолированные нанокластеры и нанокластеры, объединенные в наноструктуру со слабыми или сильными межкластерными взаимодействиями или взаимодействием кластера с матрицей.

В группу нанокластеров и наноструктур включаются твердотельные нанокластеры и наноструктуры, матричные нанокластеры и супрамолекулярные наноструктуры, кластерные кристаллы и фуллерены, компактированные наносистемы и нанокомпозиты, нанопленки и нанотрубки.

Молекулярные кластеры металлов – это многоядерные комплексные соединения, в основе молекулярной структуры которых находится окруженный лигандами остов из атомов металлов. Кластером считается ядро, включающее более двух атомов. Металлический остов представляет собой цепи различной длины, разветвленные циклы, полиэдры и их комбинации.

Молекулярные лигандные кластеры металлов образуются из металлокомплексных соединений в результате проведения химических реакций в растворе. Наибольшее распространение среди синтеза больших кластеров получили методы конденсации многоатомных кластеров и восстановление комплексов металлов. В качестве стабилизирующих лигандов используются органические фосфины.

Кластеры углерода относятся к категории кластеров с сильной атомной связью. Атомы углерода формируют кластеры легче, чем какой-либо элемент периодической системы, что подтверждается, например, повсеместным образованием сажи. Углерод является одним из наиболее распространенных во вселенной элементов после водорода, гелия и кислорода. Кроме того, это первый стабильный элемент, который возникает в процессе термоядерного синтеза, вовлекающего водород и гелий после «большого взрыва», положившего начало Вселенной.

Для получения кластеров углерода может быть использовано лазерное испарение углеродной подложки в потоке гелия. Пучок электронейтральных кластеров фотоионизируется ультрафиолетовым лазером и анализируется масс-спектрометром. На первой стадии происходит синтез углеродных структур в виде линейных цепочек из моноатомного потока плазмы. На второй стадии при достижении длины цепи до 10 и больше атомов линейные структуры замыкаются. Далее происходит последовательное сталкивание и соединение этих структур с образованием углеродных кластеров-зародышей. Когда количество кластеров-зародышей возрастает, они начинают сталкиваться, в результате чего происходит сборка больших кластеров с последующей кристаллизацией в молекулы фуллеренов.

5. ФУЛЛЕРЕНЫ

Фуллерен является четвертой аллотропной формой углерода (первые три - алмаз, графит, карбин). Молекула фуллерена содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые «запрещены» природой для неорганических молекул. В связи с этим следует признать, что молекула фуллерена является органической, а сам фуллерен представляет собой молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органической и неорганической материей. Этим он уже чрезвычайно интересен. Вероятно, в ближайшее время развитие физики конденсированного состояния будет идти в направлении изучения строения и свойств органических материалов.

Атомы в фуллеренах в составе замкнутой оболочки находятся в строго фиксированном количестве (как правило, четном). Эта форма существования элементарного углерода является, в отличие от других, молекулярной (единица ее структуры – молекула углерода).

В настоящее время наиболее эффективный способ синтеза фуллеренов – термическое разложение слоистой структуры графита на фрагменты, из которых затем формируются фуллерены. Для разложения графита используют как электрический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. Эти процессы проводят в буферном газе, в качестве которого обычно используют гелий. Основная роль гелия связана с охлаждением фрагментов, которые имеют высокую степень колебательного возбуждения, что препятствует их объединению в стабильные структуры. Кроме того, атомы гелия уносят энергию, выделяемую при объединении фрагментов.

6. УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Важное значение помимо фуллеренов имеют близкие по механизму образования наноразмерные углеродные трубки (УНТ). В 1991г. японский исследователь С. Иджима, рассматривая в электронном микроскопе сажу, полученную в результате распыления графита в плазме электрической дуги, обнаружил тонкие протяженные нити – цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких нанометров и длиной до нескольких микрометров. Они состояли из одного или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых слоев, торцы которых закрывались полусферической головкой. Они были названы нанотрубками.

Нанотрубки можно рассматривать как частный случай наноматериалов, под которыми понимают объекты c размерами порядка м хотя бы вдоль одной координаты. Диаметр нанотрубок отвечает этому требованию.

УНТ образуются в результате химических превращений углерода при высоких температурах. Можно выделить три основных способа их получения: электродуговое распыление графита, абляция графита с помощью лазерного или солнечного облучения и каталитическое разложение углеводородов.

Нанотрубки и фуллерены можно назвать одним общим термином – углеродные каркасные структуры. Углеродные каркасные структуры – это большие (иногда гигантские) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Это новая аллотропическая форма углерода, открытая в конце прошлого века. Главная особенность этих молекул – это их форма. Они выглядят как замкнутые пустотелые оболочки.

Нанотрубки фактически являются своеобразными цилиндрическими молекулами диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. УНТ различаются по диаметру и размещению шестиугольников по длине трубки.

Нанотрубки могут быть однослойными и многослойными. Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных большим разнообразием форм и конфигураций. Поперечная структура у них, как правило, имеет две разновидности. Первую назвали русской матрешкой. Структура русской матрешки представляет собой совокупность коаксильно вложенных друг в друга однослойных цилиндрических нанотрубок. Вторая напоминает скатанный рулон или свиток. Для всех структур среднее расстояние между соседними слоями, как и в графите, составляет 0,34 нм.

Та или иная структура может быть получена в разных условиях синтеза. Наиболее распространена многослойная структура типа русской матрешки. Доказательство существования такой структуры демонстрируется с помощью применения специального манипулятора, который позволяет вытягивать внутренние слои нанотрубок, оставив внешние слои фиксированными.

Синтез УНТ осуществляется при лазерном облучении поверхности графита в атмосфере инертного буферного газа (гелия или аргона). Графитовая мишень помещена в кварцевую трубку, расположенную внутри цилиндрической печи. Графитовая мишень содержит небольшие количества кобальта и никеля, являющиеся каталитическими зародышами образования нанотрубок. Газ под давлением при температуре в печи до 1200℃ прокачивается по трубке. Облучение торцевой поверхности мишени проводят с помощью невидимого лазера. Продукты термического распыления графита уносятся из горячей зоны газом и осаждаются на водоохлаждаемом медном коллекторе, на котором и происходит образование нанотрубок. Таким методом можно получить трубки диаметром 10-20 нм и длиной до 100 мкм.

Большая производительность и выход нанотрубок возможны при каталитическом пиролизе газообразных углеводородов и последующем осаждении из пара. В качестве катализатора используется мелкодисперсный металлический порошок, который засыпается в керамический тигель, расположенный в кварцевой трубке. Последняя, в свою очередь, помещается в нагревательное устройство, позволяющее поддерживать регулируемую температуру в области от 700-1000℃. По кварцевой трубке продувают смесь газообразного углеводорода и буферного газа. Процесс может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. На поверхности катализатора вырастают длинные углеродные нити, многослойные нанотрубки длиной до нескольких десятков микрометров с внутренним диаметром от 10 нм и внешним – 100 нм. В этом процессе трудно получить однородные нанотрубки, так как каталитический порошок – слишком неоднородная среда, чтобы получить при выращивании однородную трубку.

В результате многочисленных исследований был найден оптимальный вариант: подложка, на которой нужно выращивать нанотрубки, должна быть пористой с высокой степенью однородности пор, заполненных частицами металлического катализатора. Если размеры частиц и пор совпадают, диаметр вырастающих трубок оказывается практически таким же. Если поры имеют достаточную глубину и поверхностная плотность их достаточно высока, то трубки вырастают строго перпендикулярно поверхности подложки и оказываются в высокой степени однородными.

В настоящее время максимальная длина нанотрубок обычно составляет около сотни микронов. Это, конечно, слишком мало для широкого использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лабораториях, постепенно увеличивается.

Углеродные нанотрубки являются новым веществом или материалом, чрезвычайно перспективным для различных технических применений в некоторых очень важных практических областях, из которых особенно необходимо отметить полупроводниковую технику и аккумуляцию (поглощение и хранение) водорода как экологического топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Нанотрубки демонстрируют целый спектр самых неожиданных механических, электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и проводниками, и полуметаллами, и полупроводниками. У них наблюдается и сверхпроводимость.

Учитывая, что прочность на разрыв УНТ примерно в 100 раз превышает прочность стали, а их плотность составляет 1/6 от плотности стали, углеродные нанотрубки являются наиболее прочным веществом из всех известных на сегодняшний день. Они обладают максимальным отношением прочности к плотности, т.е. обеспечивают максимальную прочность при заданной массе. Поэтому дальнейшие перспективы их практического применения зависят лишь от технологической возможности получать более длинные углеродные нановолокна, сплетать и перекручивать их для изготовления канатов и создавать композитные материалы на этой основе.

7. НАНОСТРУКТУРНЫЕ ПОКРЫТИЯ

7.1. ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ НАНОПЛЕНОК И НАНОПОКРЫТИЙ

Тонкие многокомпонентные пленки наносятся либо за счет использования реактивной среды, либо различными методами физического распыления и осаждения.

Синтез наноструктур на поверхности твердофазных тел (матриц) обычно осуществляют следующими методами:

- молекулярно-лучевой эпитаксией;

- химическим или физическим осаждением из газовой фазы;

- технологией пленок Ленгмюра-Блоджетт;

-молекулярным наслаиванием.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) обеспечивает выращивание сверхтонких пленок осаждением молекулярного или атомного пучка, испаряемого в глубоком вакууме вещества при соударении его частиц с поверхностью подложки, нагретой до требуемой температуры. Толщина образуемой пленки при выбранной температуре и концентрации испаряемого вещества определяется временем пропускания реагента.

Тонкие пленки могут быть получены на основе CVD и PVD процессов (химического парофазного осаждения или физического парофазного осаждения), когда после термического или ионного испарения происходит осаждение вещества на подложку. При осаждении компонентов плазмы толщина пленки и размеры составляющих ее нанокластеров регулируются изменением давления газа и параметров разряда.

Магнетронное распыление позволяет снизить температуру подложки на несколько сотен градусов. Преимуществом технологии магнетронного распыления является незначительный нагрев подложки до 50-250℃. Это позволяет осаждать покрытия практически на любые материалы.

Пленки Ленгмюра-Блоджетт формируются с помощью ПАВ на поверхности жидкости, обычно воды. В слой ПАВ могут вводиться нанокластеры, молекулы и комплексы металлов, после чего происходит их перенос на твердую подложку. Данный метод позволяет получать сверхрешетки и нанослои молекул и нанокластеров с заданным порядком чередования слоев.

7.2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНЫХ ПОКРЫТИЙ

Наноструктурные покрытия обладают комплексом уникальных характеристик, обусловленных особенностями их структуры, высокой объемной доли границ раздела отдельных зерен, отсутствием внутризеренных дислокаций, присутствием межкристаллитных аморфных прослоек. Эти особенности позволили обеспечить рекордные значения физико-химических и механических свойств.

Термическое напыление наноструктурных покрытий представляет собой перспективный подход, позволяющий использовать необычные механические и физические свойства наноструктурных материалов (прочность, ударную вязкость и коррозийную стойкость). Число атомов на границе наноразмерного кристаллического зерна сравнимо с числом атомов внутри самого зерна. Из-за увеличения удельной площади границы количество примесей на единицу площади границы уменьшается по сравнению с крупнозернистым материалом того же состава при той же объемной концентрации примесей. Более чистая поверхность зерен обеспечивает более однородную коррозийную морфологию и более высокую коррозийную стойкость вдоль границ по сравнению с крупнозернистым кристаллическим материалом.

Исследования показали, что у наноструктурных покрытий с размером зерен менее 100 нм происходит резкое улучшение физических характеристик. Наноразмерные кристаллические зерна не только обладают высокой термической стабильностью, но и эффективно тормозят движение дислокаций, что придает покрытиям сверхвысокую прочность и высокую ударную вязкость. Кроме того, важным преимуществом покрытий с наноразмерной зернистой структурой является уменьшение остаточных напряжений, что позволило создать значительно более толстые покрытия (в отдельных случаях их толщина в четыре раза больше, чем у покрытий из обычных материалов). Термическое напыление при использовании высокоскоростных кислородсодержащих струй позволило получить разнообразные наноструктурные покрытия, которые обладают значительно большей микротвердостью, чем покрытия из обычных материалов, увеличение может составлять до 60%

7.3. НАНОСТРУКТУРНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Наноструктурные покрытия широко применяются в изделиях машиностроения. Благодаря высокой твердости и износостойкости в сочетании с теплостойкостью их применяют для режущих инструментов и деталей узлов трения.

Работоспособность конструкций ограничивается изнашиванием поверхности толщиной в несколько десятых миллиметра. В этом случае экономически выгодным является восстановление изношенных поверхностей нанесением покрытий газотермическим способом. Износостойкие покрытия, упрочненные наноразмерными фазами, имеют ряд преимуществ. Они обеспечивают в 20 раз меньший износ контртела по сравнению с покрытиями, упрочненные микроразмерными фазами, минимальный износ материала покрытия при расстояниях между упрочняющими фазами покрытий меньшими, чем размер изнашивающих покрытие частиц.

По химическому составу наноструктурные покрытия могут быть металлическими, керамическими, полимерными или металлополимерными, металлокерамико-полимерными.

7.4. ПОЛИМЕРНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ

Полимеры – это высокомолекулярные соединения, гигантские молекулы которых построены из множества периодически повторяющихся элементарных звеньев. Для них херектерны очень большие значения молекулярной массы – от десятков тысяч до нескольких миллионов.

Одно из интереснейших и перспективных направлений в науке о полимераз последних лет – разработка принципов получения полимерных нанокомпозитов. Композиционными называют материалы, состоящие из двух или более фаз с четкой межфазной границей. На практике это – системы, которые содержат усиливающие элементы (волокна, пластины) с различным отношением длины к сечению (что и создает усиливающий эффект), погруженные в полимерную матрицу. Удельные механические характеристики (плотность, модуль упругости, прочность) нанокомпозитов заметно выше, чем у исходных компонентов.

Именно благодаря усиливающему эффекту нанокомпозиты отличаются от наполненных полимерных систем, в которых роль наполнителя ведет к удешевлению цены конечного продукта, но при этом заметно снижаются механические свойства материала.

Механические свойства нанокомпозитов зависят от структуры и свойств межфазной границы. Так, сильное межфазное взаимодействие между матрицей и волокном – наполнителем обеспечивает высокую пластичность материала, а значительно более слабое – ударную прочность. Нанокомпозиты на основе полимеров сочетают в себе качества составляющих компонентов: гибкость, упругость, перерабатываемость полимеров, твердость, устойчивость к износу, высокий показатель светопреломления. Благодаря такому сочетанию улучшаются многие свойства материалов по сравнению с исходными компонентами.

7.4. СВЕРХТВЕРДЫЕ ПОКРЫТИЯ ИЗ НАНОКОМПОЗИТОВ

Сверхтвердые нанокомпозитные покрытия имеют большие потенциальные возможности для улучшения характеристик различных рабочих поверхностей (например, в режущем инструменте) и являются бурно развивающейся областью инженерии поверхности. Обычно сверхтвердыми считаются материалы, имеющие микротвердость в диапазоне между 40 и 80 Гпа. Большинство наноструктурных покрытий различного назначения имеют микротвердость ближе к нижней границе, в интервале 35-40 Гпа.

Главными особенностями наноструктурных покрытий можно считать следующие:

- зерна/слои ограничиваются размерами 100 нм, по крайней мере в одном направлении;

- существенная часть атомов сосредеточена в межфазных границах и тройных сочленениях зерен.

Супертвердые наноструктурные композиционные покрытия могут быть классифицированы по размерности структурных элементов. Если структурный элемент состоит из чередующихся слоев двух различных материалов в пределах наномасштабной толщины, покрытие называется нанослоистым. Если структурные элементы представляют собой нанозерна различных фаз, покрытие называется нанокристаллическим композиционным покрытием. Общим для обоих типов является термин наноструктурное композиционное покрытие.

Имеется несколько подходов для объяснения эффекта сверхтвердости на нанослойных композиционных покрытиях, а именно: распределение деформаций внутри нанослоев: различие модуля упругости нанослоев, несоответствие решеток нанослоев и т.п. Нанослойные композиционные покрытия обладают высокой твердостью, т.к. чередующиеся поля напряжений в нанослоях являются барьерами для любого движения дислокаций.

Нанослойное композиционное покрытие может быть нанесено любым методом, при котором структура формируется посредством выстраивания атома за атомом с относительно низкой скоростью нанесения. Для нанесения нанослойных композиционных покрытий требуется очень сложное оборудование, имеющее низкую производительность. Например, типичная скорость наращивания покрытия составляет 1мкм/ч, поэтому синтез нанослойных композиционных покрытий – длительный процесс: нанесение несколько микронов покрытия занимает несколько часов.

8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ТРАНСПОРТНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

8.1. АВИАЦИОННАЯ И КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА

Современные композиционные материалы нашли применение, в первую очередь, в авиационной и космической технике, для которых наиболее важным является снижение массы конструкций при одновременном повышении их прочности и жесткости.

Перспективность использования композиционных материалов в различных отраслях техники определяется широким спектром их самых различных свойств. Высокие прочность и удельная жесткость, малая чувствительность к концентраторам напряжений и высокое сопротивление усталостному разрушению, жаропрочность, износостойкость, электропроводность, а также электроизоляционные, антифрикционные, теплозащитные, эрозийно-стойкие, радиопрозрачные, радиопоглощающие, энергоемкие и другие свойства – таков далеко не полный перечень важнейших характеристик этих материалов.

Весьма перспективным является применение нанокомпозиционных материалов в тяжелых транспортных и сверхзвуковых пассажирских самолетах. Применение таких материалов в количестве до 30% позволит снизить массу самолета на 15-20%.

Успехи металловедения привели к созданию методов, сочетающих внутрифазовый наклеп и механическое упрочнение пластической деформацией. Эти методы, реализованные в большой гамме различных приемов термомеханической обработки, позволяют получить стали с прочностью до 300 кгс/мм². Однако области применения этих сталей весьма ограниченны, так как с повышением прочности резко возрастает чувствительность сталей и сплавов к концентраторам напряжений, существенно снижается коррозийная стойкость и особенно сопротивление коррозии под напряжением, что, естественно, уменьшает прочность и надежность деталей, изготовленных из таких материалов.

Традиционные высокопрочные сплавы, как правило, имеют низкую пластичность, высокую чувствительность к концентраторам напряжений и сравнительно малое сопротивление усталостному разрушению. Композиционные волокнистые материалы, обладая более высоким пределом прочности, чем высокопрочные сплавы, имеют, однако, меньшую чувствительность к концентраторам напряжений и большее сопротивление усталостному разрушению. Это объясняется тем, что у материалов различный механизм развития трещин. В традиционных изотропных высокопрочных сталях и сплавах развитие трещин идет прогрессирующим темпом, скорость трещинообразования возрастает по мере вовлечения в очаг образования трещины все больших элементов структуры - зерен, дендритов и др. В композиционных материалах другой механизм развития трещин. Трещина обычно возникает в матрице и, развиваясь, встречает препятствия на границе раздела матрицы – волокно. Волокна тормозят развитие трещин, и наступает период относительной стабильности.

Анализируя характер разрушения композиционных материалов, следует отметить, что последний представляет собой ряд последовательных дискретных этапов, каждый из которых отличается от другого перераспределением напряжений между армирующими волокнами.

Волокнистые композиционные материалы, состоящие из чередующихся регулярным образом армирующих волокон в пластичной матрице, обладают достаточно высокой вязкостью разрушения.

Таким образом, в композиционной системе сочетаются два противоположных свойства, необходимых для композиционных материалов – высокий предел прочности и достаточная вязкость разрушения. Высокая прочность достигается за счет использования хрупких высокопрочных волокон, а достаточная вязкость разрушения обусловлена пластичной матрицей и специфическим механизмом рассеивания энергии разрушения композиции. Кроме того, в композиционных материалах она увеличивается на 100-200%. Это позволяет существенно снизить материалоемкость конструкций.

8.2. АВТОМОБИЛЬНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Автомобильная промышленность, которая является одной из наиболее важных отраслей производства, уже сейчас серьезно заинтересована в нанотехнологиях. Большие перспективы имеет внедрение прозрачных многослойных наноматериалов. В частности, наносимые на стекло металлические покрытия толщиной в несколько нанометров могут одновременно отражать инфракрасное излучение и придавать стеклу дополнительную термостойкость. Водоотталкивающие и противоударные покрытия могут наноситься на множество деталей, включая «дворники» и т.п.

Для повышения качества автомобильных шин в состав материалов вводят микроскопические частицы углерода. В начале ХХ в. было случайно обнаружено, что введение микрочастиц сажи в каучук приводит к улучшению качества автомобильных шин. Эффект связан с тем, что частицы сажи «склеивают» каучук и делают шины прочнее, обеспечивая их повышенную износостойкость.

В качестве автомобильного топлива очень перспективен экологически безопасный водород. Нанотехнология может сыграть важную роль в производстве новых методик впрыскивания горючего и аккумуляции водорода.

Нанопористые материалы могут применяться для разложения многих соединений при использовании мембран с очень развитой поверхностью. Кроме того, микропористые вещества с большой и активной поверхностью, очевидно, представляют собой прекрасную основу для создания новых типов фильтров, механически задерживающих требуемые типы частиц.

В будущем развитие энергетики, возможно, будет связано с массовой заменой обычных видов топлива на водород, который необходимо будет аккумулировать в специально создаваемых устройствах, и именно в этом наноматериалы (например, сложные фуллерены) могут оказаться исключительно полезными.

Перспективы нанотехнологии в автомобильной промышленности сейчас во многом связываются с использованием наноструктурных (нанофазных) металлических материалов, обладающих огромной прочностью и другими высокими механическими характеристиками, а также с производством новейших типов металлокерамики. Разрабатывается большое число лаков на основе наносистем, обладающих не только высокой прочностью, но и даже способностью к «самозалечиванию» поверхности. Кроме того, изучаются возможности керамических материалов с наночастицами, а также развитие новых методик создания стеклокерамики. При этом во многих случаях исследователи уже планируют осуществлять автономную или местную «регенерацию» вещества на основе наполненного наночастицами искусственного материала.

Таким образом, наноструктурные материалы могут найти самые разнообразные применения в автомобильной промышленности, прежде всего в производстве лаков, легких конструкций, новых приводных устройств, амортизаторов и т.п.

9. НАНОМАТЕРИАЛЫ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ

Рост прочностных показателей бетонов, модифицированных наноразмерными частицами, определяется повышением общего уровня поверхностной энергии частиц твёрдой фазы материала, обусловливающего иную кинетику и результат процессов структурообразования, а также за счет возможности получения плотной структуры камня. Это обусловлено снижением вязкости цементного теста при совместном действии на цементную систему суперпластификаторов и наноразмерных частиц.

Значительный рост плотности бетона, структура которого модифицирована наноразмерными частицами, обусловлена тем, что частицы ускоряют процесс гидратации клинкерных минералов цемента. Введение в структуру бетона наноразмерных частиц положительно сказывается на условиях роста и устранении трещин в хрупком теле бетона при его деформировании.

Наноразмерные частицы могут служить наиболее перспективными модификаторами структуры цементного камня и бетонов на его основе, так как являются зародышами центров кристаллизации новой фазы, проявляют высокую химическую активность и обеспечивают снижение внутренних напряжений в системе, тем самым повышая прочность и долговечность материала.

Покрывая глиняные изделия водорастворимыми полимерными наноразмерными дисперсиями, можно придать их поверхности водостойкость, что означает отказ от традиционного использования обжига для обработки строительных материалов. Такие материалы могли бы найти широкое применение при строительстве защитных дамб и т.п.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования в области нанокластеров и наносистем лежат в основе создания нанотехнологии. Конструирование наносистем из отдельных нанокластеров позволяет изменить электронные и магнитные свойства наносистемы за счет возникновения избыточных внутренних напряжений (давлений) и влияния поверхностно активных веществ.

Время стремительно толкает нас к вершинам новых побед и открытий, нанороботы не являются исключением, все только в начале пути, а нам остается только наблюдать, как молекулярные наномашины будут изменять жизнь вокруг нас.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ю.П.Солнцев, Е.И.Пряхин, С.А.Вологжанина, А.П.Петкова «Нанотехнологии и специальные материалы». СПб: ХИМИЗДАТ, 2009. – 336с.

2. И.П.Суздалев «Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов». Москва: КомКнига, 2006. – 592с.

3. Л.К.Каменек «Введение в нанотехнологии». Ульяновск:УлГУ, 2008. – 128с.

4. Ч.Пул, Ф.Оузис «Нанотехнология». Москва: Техносфера, 2005 – 336с.

Код для цитирования: Скопировать