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
наноматериал кластер нанопленка
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/ммІ. 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 чувствительностьк 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 другогоперераспределением 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.
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
Ю.П.Солнцев, Е.И.Пряхин, С.А.Вологжанина, А.П.Петкова
«Нанотехнологии и специальные материалы». СПб: ХИМИЗДАТ, 2009. - 336с.
И.П.Суздалев «Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов». Москва: КомКнига, 2006. - 592с.
Л.К.Каменек «Введение в нанотехнологии». Ульяновск:УлГУ, 2008. - 128с.
Ч.Пул, Ф.Оузис «Нанотехнология». Москва: Техносфера, 2005 - 336с.