2048

21

ными материалами. Преимущества композитов неоспоримы, поэтому внедрение таких материалов на железной дороге, несмотря на некоторую инерцию консервативного пристрастия к металлу, происходит во все возрастающих масштабах. Например, термостойкие смолы повсеместно применяются для изготовления частей пассажирских вагонов.

Также для изготовления подвижного состава применяется широкий спектр материалов на основе ячеистых полимеров. Высокие характеристики «сжимаемости» делают такие композиты привлекательными для использования в качестве поглотителей энергии при столкновении. Особая тема – отделка и кресла для пассажирских вагонов. Например, технология литьевого прессования, в том числе под давлением, позволяет отливать элементы самой сложной конфигурации при минимизации массы и значительном повышение срока службы.

Базовые направления применения композиционных материалов на железнодорожном транспорте:

–замена дорогостоящих металлических сплавов в конструкциях, несущих пониженную нагрузку;

–значительное уменьшение массы конструкций подвижного состава, что способствует повышению скорости;

–повышение безопасности перевозок путем применения поглотителей энергии удара при столкновениях;

–значительное понижение уровня пожароопасности на подвижном соста-

ве;

–повышение комфортности и эргономического уровня пассажирских вагонов, в сочетании с долговечностью и минимизацией затрат на обслуживание.

Композитные материалы на железной дороге являются, без преувеличения, главной движущей силой технического и экономического развития отрасли, а также единственным путем, ведущим к повышению реальной конкурентоспособности.

Применение композитных материалов позволяет эффективно решать основные задачи отрасли – например, проблему защиты судов от коррозии и агрессивных внешних воздействий. Композитные материалы также позволяют строить безнаборные корпусные конструкции судов с прочными слоями из стали или стеклопластика и слоем из полимеров низкой плотности.

Задача повышения надежности и качества материалов конструкций в судостроении актуальна всегда. Применение композитных материалов позволяет

22

эффективно решать основные задачи отрасли и отвечать вызовам времени. В частности, проблема защиты от коррозии и агрессивных воздействий с внедрением композитов перестала стоять так остро, как прежде.

Композитные материалы позволяют строить безнаборные корпусные конструкции судов из «сэндвичей» с прочными слоями из стали или стеклопластика и слоем из полимеров низкой плотности в середине. Подобные технологии обеспечивают судостроению платформу для производства высокоскоростных современных судов. Ужесточение требований по судовой пожарной безопасности и стандартизация экологической чистоты делают особенно востребованными многофункциональные теплозвукоизоляционные композиты и полимерные покрытия для судовых помещений.

Основные направления применения композитов в судостроении:

–производство сверхпрочных корпусов (элементов корпусов) суден;

–изготовление надежных элементов и систем управления судном;

–применение композитов в корпусах и элементах судовых двигателей и движителей;

–отделка судовых помещений технического и жилого назначения;

–противопожарная и термическая судовая защита.

Этим списком формы и типы использования различных композитов в судостроении далеко не исчерпываются. С появлением в конструкциях современных судов альтернативных источников энергии – в частности, солнечной – значимость сверхлегких и прочных композиционных материалов будет только возрастать. То же самое касается и освоения глубоководных пространств – композиты играют в этом важнейшую роль и являются главным направлением в развитии «глубинной» отрасли.

Большинство из композитных полимеров выигрывают сравнение с традиционными для ракетостроения титановыми и алюминиевыми сплавами. Композиты позволяют снизить вес ракеты или космического аппарата до 50 %, в зависимости от конструкции, и, как следствие, существенно сокращают расход ракетного топлива.

Ракетно-космическая отрасль является одним из «локомотивов» развития полимерных композиционных материалов, и композиты, в свою очередь, во многом определяют направление развития ракетостроения. Эта наукоемкая отрасль требует все новых и новых видов полимеров, способных выдерживать титанические экстремальные нагрузки:

– высокие температуры при выведении на орбиту;

23

–экстремальные давления при перегрузках;

–вибрационные нагрузки при выведении;

–низкую температуру и глубокий вакуум космического пространства;

–мощное радиационное воздействие и влияние микрочастиц. Большинство из композитных полимеров выигрывает сравнение с тради-

ционными для ракетостроения титановыми и алюминиевыми сплавами. Композиты позволяют снизить вес ракеты или космического аппарата до 50% в зависимости от конструкции и, как следствие, существенно сокращают расход ракетного топлива.

Снижение веса аппарата является не единственной задачей ракетостроительной отрасли – повышение надежности и предсказуемости поведения материалов не менее важно, и композиты адекватно отвечают требованиям времени. В ракетостроении не первый год эксплуатируются выполненные из композитных полимеров космические дыхательные баллоны, ракетные и вспомогательные топливные баки, корпусы двигателей, шары-баллоны, аккумуляторы давления и многое другое. Особую, проверенную временем и практикой, популярность имеет углепластик – из этого материала изготавливают носовые обтекатели ракет, сопла двигателей и другие детали космических аппаратов, подвергающиеся экстремальным аэродинамическим нагрузкам. Сфера применения композитных материалов в ракетостроении не просто широка – она всеобъемлюща: от обшивки и двигателя до скафандров и антенн космической связи.

Композитные материалы в тюнинге применяются повсеместно и, в известном смысле, определяют развитие этой творческой отрасли. Легкость обработки и феноменальная пластичность большинства композитов делают эти материалы основой большинства проектов – от любительских до высокопрофессиональных и дорогостоящих.

Тюнинг – это обработка (доработка, улучшение) законченного промышленного изделия за пределами завода, часто выполняется силами самих потребителей или специализированными тюнинг–компаниями, салонами и ателье. Цель каждого тюнинга состоит в улучшении и придании вещи, произведенной в промышленных условиях, индивидуальных внешних функциональных характеристик. Композитные материалы в тюнинге применяются повсеместно и, в известном смысле, определяют развитие этой творческой отрасли. Легкость обработки и феноменальная пластичность большинства композитов делают эти материалы основой большинства проектов – от любительских до высокопрофессиональных и дорогостоящих.

24

Предметом приложения полимерных композитов в тюнинге во всем мире, в первую очередь, являются автомобили, мотоциклы и прочая транспортная техника. Автотюнинг с недавних пор превратился во вполне самостоятельную отрасль экономики, и применение композитных материалов способствовало этому прогрессу. Впрочем, тюнинг с композитами – это не только автомобили. Тюнинг персональных компьютеров, ноут- и нетбуков, планшетов и всевозможных гаджетов также сложно представить без композитов. Этим список отраслей применения далеко не ограничивается – тюнингом, например, в стоматологическом сленге называют наращивание и изменение формы зубов.

Основные преимущества полимерных композитов в тюнинге:

–простота и доступность обработки большинства композиционных мате-

риалов;

–долговечность, устойчивость к механическим и атмосферным воздейст-

виям;

–высокие эстетические свойства: гладкость, пластичность и т. п.;

–пригодность композитов для самого смелого и экспериментального дизайна в любой области;

–звукоизолирующие и термобарьерные свойства;

–относительно небольшая цена распространенных материалов;

–способность поглощать кинетическую силу ударов при столкновениях;

–повышение технических качеств двигателей и систем с применением элементов из композитных материалов.

Композиты определяют и формируют развитие тюнинга, при этом сама тенденция улучшения и индивидуализации промышленных товаров будет только усиливаться, а значит, применение полимерных композитов будет только возрастать.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое композиционный материал?

2.Какие композиционные материалы в настоящее используются в промышленности?

3.Как применяются композиционные материалы в товарах народного потребления?

4.Как применяются композиционные материалы в железнодорожной

сфере?

5.Как применяются композиционные материалы в судостроении?

6.Как применяются композиционные материалы в ракетостроении?

7.Применение композиционные материалов в тюнинге?

25

5.КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Кнаноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры и т.п.), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Кнанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:

– фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;

– развитие нанотехнологий для целенаправленного создания наноматериалов, а также поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;

– развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

Существует несколько подходов к определению понятия «наноматериал». Самый простой подход связан с геометрическими параметрами, в соответствие

скоторым материалы с характерным размером структурных элементов в диапазоне от 1 до 100 нм называют наноструктурными.

Нижняя граница диапазона обусловлена критическим размером существования нанокристаллического материала, как структурного элемента, имеющего упорядоченное строение, то есть кристаллическую решетку. Такой критический размер, в частности, для железа составляет около 0,5 нм.

Верхняя граница диапазона обусловлена тем, что заметные и интересные

стехнической точки зрения изменения физико-механических свойств материалов (прочности, твердости, коэрцитивной силы и др.) начинаются при размерах наноструктурных элементов существенно меньше 100 нм.

26

Второй подход 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 %.

Третий подход основан на понятии характерного размера для определенного физического явления:

–для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла,

–для магнитных свойств – размер однодоменного кристалла,

–для электропроводности – длина свободного пробега электронов. Считается, что если при уменьшении объема какого-либо вещества по

одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними; к нанотехнологиям.

Принятая на сегодняшний момент терминология использует следующие термины:

–нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;

–наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

–наносистемная техника – полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

В соответствии с приведенной на предыдущей странице терминологией наноматериалы можно разделить на четыре основные категории.

Первая категория 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

27

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). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий.

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1…1000 мкм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалы с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой объемные наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких миллиметров). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм.

Всвою 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

всвоем составе компоненты из наноматериалов из первой и второй категорий.

Внастоящее время в мире зарегистрировано и выпускается промышленностью более 1800 наименований наноматериалов. Согласно данным о форме и химическом составе можно выделить следующие основные виды наноматериалов:

–углеродные наночастицы (фуллерены, нанотрубки, графен, углеродные нанопены),

–наночастицы простых веществ (не углерода),

–наночастицы бинарных соединений,

–препараты наночастиц сложных веществ.

Число известных наноматериалов, их производимые количества и область их использования постоянно расширяются.

28

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое наноматериалы?

2.Что такое нанотехнологии?

3.Какие существуют подходы к понятию наноматериалов?

4.Что представляют собой наноизделия?

5.Что представляют собой микроизделия?

6.Что представляют собой объемные наноматериалы?

7.Что такое композиционные наноматериалы?

8.Какие виды наноматериалов производят в настоящее время?

29

6. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

На многих объектах в физике, химии и биологии показано, что переход на наноуровень приводит к появлению качественных изменений в физикохимических свойствах отдельных соединений и получаемых на их основе систем. Речь идет о коэффициентах оптического сопротивления, электропроводности, магнитных свойствах, прочности, термостойкости. Более того, согласно наблюдениям, новые материалы, получаемые с использованием нанотехнологий, значительно превосходят по своим физическим, механическим, термическим и оптическим свойствам аналоги микрометрического масштаба.

На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии, экологически безопасных продуктов и многое другое. Уже созданы высокочувствительные биологические датчики (сенсоры) и другие устройства, позволяющие говорить о возникновении новой науки – нанобиотехнологии и имеющие огромные перспективы практического применения. Нанотехнология предлагает новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономическую и социальную жизнь будущих поколений.

Структура и соответственно свойства наноматериалов формируются на стадии их изготовления. Вполне очевидно значение технологии как основы для обеспечения стабильных и оптимальных эксплуатационных характеристик наноматериалов; это важно также с точки зрения их экономичности.

Для технологии наноматериалов в соответствии с многообразием последних характерно сочетание, с одной стороны, металлургических, физических, химических и биологических методов, а с другой стороны, традиционных и принципиально новых приемов. Так, если подавляющее большинство методов получения консолидированных наноматериалов достаточно традиционны, то такие операции, как изготовление, например, «квантовых загонов» с помощью сканирующего туннельного микроскопа, формирование квантовых точек самосборкой атомов или использование ионно-трековой технологии для создания пористых структур в полимерных материалах основаны на принципиально иных технологических приемах.

Весьма разнообразны и методы молекулярной биотехнологии. Все это усложняет изложение основ технологии наноматериалов, учитывая и то, что

30

многие технологические подробности («ноу-хау») авторы описывают только в общих чертах, а зачастую сообщение носит рекламный характер.

Операции порошковой технологии – прессование, спекание, горячее прессование и т. п. – призваны обеспечить получение образца (изделия) заданных форм и размеров с соответствующей структурой и свойствами. Совокупность этих операций часто называют консолидацией. Применительно к наноматериалам консолидация должна обеспечить, с одной стороны, практически полное уплотнение (т.е. отсутствие в структуре макро- и микропор), а с другой стороны, сохранить наноструктуру, связанную с исходными размерами ультрадисперсного порошка (т. е. размер зерен в спеченных материалах должен быть как можно меньше и во всяком случае менее 100 нм).

Рассмотрим некоторые из методов получения ультрадисперсных порош-

ков.

Конденсационный метод. Различают гомогенное и гетерогенное зарождение зародышей (кластеров). В первом случае зародыш возникает флуктуационно, причем изменяя пересыщение системы (увеличивая или снижая давление пара, варьируя температуру процесса), можно регулировать значение радиуса критического зародыша и добиваться нужного размера частиц получаемых порошков. Проводя испарение в нейтральных средах и вводя в пространство испарения посторонние поверхности, можно провоцировать гетерогенное зародышеобразование, для которого высота потенциального барьера образования критического зародыша гораздо ниже по сравнению с объемной гомогенной конденсацией. Таким образом, существуют, по крайней мере, два необходимых и достаточных условия получения ультрадисперсных порошков конденсационным методами – большое пересыщение и присутствие в конденсируемом паре молекул нейтрального газа.

Конденсационные методы, в принципе, обеспечивают изготовление ультрадисперсных порошков с размером частиц до нескольких нанометров, но длительность процесса получения таких объектов (и соответственно стоимость) довольно велика. По желанию потребителей на поверхность порошка можно нанести тонкие полимерные пленки, предотвращающие агломерацию и коррозионное воздействие.

Высокоэнергетическое измельчение или механохимический синтез.

Измельчение – это типичный пример технологий типа «сверху – вниз». Измельчение в мельницах, дезинтеграторах, аттриторах и других диспергирующих установках происходит за счет раздавливания, раскалывания, разрезания,