1407

–при создании тонкопленочных покрытий для конструкционной приборной оптики;

–разработке электрохимических устройств с применением твердых электролитов на основе диоксида циркония;

–создании материалов с более низкой теплопроводностью, чем теплопроводность воздуха

–производстве топливных элементов;

–создании бортовых устройств регистрации полетных данных самолета с целью сохранения их работоспособности в черезвычайных ситуациях;

–разработке двигателей в гражданской авиации и ракетостроении.

Применение нанотехнологий в космической технике является одним из наиболее важных и перспективных направлений.

Достаточно масштабное применение нанотехнологий в космической технике позволит радикально улучшить массогабаритные характеристики космических аппаратов, продлить сроки их пребывания на тех или иных орбитах, решить проблемы энергообеспечения функционирования этих аппаратов.

В частности, речь идет об использовании покрытий из наночастиц диоксида кремния для солнечных батарей. Такие нанопокрытия оптически прозрачны и одновременно отталкивают любые загрязняющие вещества. Перспективными для космической техники станут наноматериалы, обладающие одновременно высокими твердостью, прочностью и пластичностью, что недостижимо в материалах, построенныхизобычных макрочастиц.

Образцы теплозащитных и износостойких покрытий, нанесенных с помощью плазменно-кластерной технологии. Метод позволяет создавать многослойные наноструктурированные имплантированные покрытия для широкого спектра применений.

Кпримеру, нанесение многослойных наноструктурированных теплозащитных покрытий, в которых в качестве основных теплозащитных слоев используются слои из оксида циркония, позволит увеличить импульс тяги ракетного двигателя из-за отказа

151

от пристеночной завесы охлаждения в камере сгорания. Это приведет к увеличению массы полезного груза, выводимого на орбиту, примерно на 100–200 кг, что даст экономический эффект 15–30 млн руб. за один запуск.

Вступление в третье тысячелетие совпало с новым этапом развития технологий миниатюрных космических аппаратов – микро- и наноспутников. Малые космические аппараты уже активно используются для дистанционного зондирования Земли, экологического мониторинга, прогноза землетрясений, исследования ионосферы.

Космический лифт. Можно сказать, что в XXI веке люди будут путешествовать за пределами атмосферы. И нанотехнологии станут одним из практических средств в достижении этих замыслов.

Единственной реалистичной альтернативой ракетной технике из всех, придуманных за последние полвека, является космический лифт – мост или канат, протянутый с поверхности Земли на орбиту (рис. 7.9) [25].

Рис. 7.9. Космический лифт будущего

152

Спутник на низкой орбите может двигаться со скоростью около 8 км/с и делать один виток вокруг Земли за 1,5 часа. Но чем выше мы поднимаемся над Землей, тем слабее гравитация, тем медленнее движение спутника, тем больше требуется времени на то, чтобы он облетел всю планету. На высоте 35 786 км над экватором период обращения спутника сравнивается с периодом вращения Земли – это так называемая геостационарная орбита. Выведенное на такую орбиту тело неподвижно зависает над одной точкой на земной поверхности. Если протянуть к нему очень длинный и прочный канат, то можно будет взбираться до неба и спускаться назад без использования дорогостоящих и опасных ракет.

Конечно, сам вес этой «привязи» будет тянуть такую конструкцию к Земле, поэтому его необходимо компенсировать, пробросив канат еще дальше в космос и закрепив на дальнем конце противовес. Обращаясь вокруг Земли, как камень, вложенный

впращу, онбудетобеспечиватьустойчивоенатяжение всейсвязке.

УЗемли основание каната можно прикрепить, например,

к очень высокой башне или к плавучей океанской платформе. У каждого такого варианта есть свои преимущества: башня может спасти от изменчивости неспокойных нижних слоев атмосферы, а океанская платформа позволит совершать маневры уклонения, если ураган или гроза будут создавать опасность для нашей привязи. Но крепление троса в нижней части в любом случае не должно быть жестким, чтобы он не лопнул при возникновении колебаний.

Создание тонкопленочных покрытий для конструкционной и приборной оптики. Физический принцип регулирования оптических свойств изделий посредством модификации их поверхности заключается в использовании интерференции электромагнитных волн [27]. Покрытия оптических фильтров в большинстве случаев имеют толщину, кратную четверти длины волны излучения, которое необходимо редуцировать. Для видимого диапазона излучения это 10–125 нм. Варьируя число слоев с различными показателями преломления и их толщины можно создавать различные типы оптических светофильтров [26].

153

7.7. Нанотехнологии в автомобилях

Автопромышленность стала одной из первых отраслей,

вкоторых оценили преимущества нанотехнологий. В автомобиле сложно изобрести что-то принципиально новое, его основные элементы десятилетиями остаются все теми же – кузов, двигатель, подвеска, тормозная система, электрооборудование. Приходится лишь совершенствовать каждый компонент. Концепткары ведущих мировых автодизайнеров поражают футуристичностью форм и технических решений. А воплощение в жизнь смелых идей уже невозможно без применения нанотехнологий.

Немцы получили около 70 патентов на использование нанотехнологий в автомобилестроении. Больше только в США – 100;

вЯпонии – 35, в Англии – 10 патентов. 50 % материаловедческих заявок на нанопатенты приходится на пластмассы, 36 % – на металлы. За счет облегчения конструкций на одной только модели Mercedes удалось снизить вес автомобиля на 8 кг. Подсчитано: если удается снизить массу автомобиля на 5 %, то автовладелец экономит уже 3 % топлива, а темп набора скорости увеличивается на 3,5 %.

Буквально в каждом выпущенном в США автомобиле используются какие-либо из нанокомпозитных материалов, чаще всего это углеродные нанотрубки в сочетании с нейлоном, применяемые в топливной системе для защиты от статического электричества. Компания Hyperion Catalysis планирует вводить нанотрубки в другие полимеры, используемые в топливных системах автомобилей. Новый компаунд фторполимера с нанотрубками применяется при изготовлении уплотнительных колец для топливной системы автомобилей. Более десяти лет назад компания Toyota впервые применила при производстве автомобилей

коммерческие нанокомпозиты, разработав композит нейлона

снаноглиной для жесткого и термостойкого покрытия нейлоновых зубчатых ремней. Начиная с 2002 года компания General Motors успешно применяет первые промышленные композиты

снаноглинами и нанотальком при изготовлении накладок порогов для минивенов Safari и Astro; сейчас компания использует

154

почти 250 тыс. кг нанокомпозитных материалов в год для изготовления различных наружных автомобильных частей и накладок, включая некоторые части автомобиля Hummer H2 SUT. Кроме композитов термопластичных эластомеров с наноглиной, компания исследует возможность применения углеродных нанотрубок для замены существующих термореактивных конструкционных композитов. Компания Dow Automotive развивает процесс реактивной экструзии для производства нанокомпозитов на основе наноглин и циклического бутилентерефталата. Разрабатывают семейство нанокомпозитов ELAN XP для внутренней отделки автомобилей на основе смесей полипропилена и полистирола, которые в обычных условиях несовместимы, однако минеральный наполнитель Nanofil образует с ними устойчивые к царапинам компаунды с приятной на ощупь однородной матовой поверхностью. Специалисты также изучают ряд нанокомпозитных материалов, разрабатывая улучшенные покрытия и прочные материалы с повышенной износостойкостью.

В последние годы постепенно расширяется применение

вавтомобилях электропроводных полимеров. Область применения электропроводных полимеров простирается от наружных кузовных панелей, до оптических микропереключателей, наноразмерных интеллектуальных переключателей и датчиков. Термопластические нанокомпозиты, содержащие взвесь углеродных нанотрубок, стали основными композитными материалами для топливных трубопроводов, в которых полимеры заменяют традиционную сталь. Электропроводные полимеры разрабатываются также для использования в наружных панелях кузова, они могут быть окрашены на тех же электростатических окрасочных линиях, что и заменяемые ими стальные детали. Это позволет значительно сократить капитальные вложения в монтаж нового оборудования по сравнению со специальными окрасочными линиями для пластиковых панелей. Среди основных направлений применения нанокомпозитов в автомобилестроении

впоследующие 10 лет прогнозируется появление систем хранения водорода, топливных элементов и батарей суперконденса-

155

торов. Эти направления окажут существенное влияние на создание новых устройств выработки и хранения электроэнергии, применяемых в автомобильной промышленности. Такое свойство нанокомпозитов, как огнестойкость, также создаст новую область применения – оформление салона автомобиля, в то время как нанокомпозиты на основе биопластиков позволят пересмотреть отношение к вторичному использованию и биоразложению материалов [27].

Автором одной из первых заметных инициатив в этой области стала компания Daimler-Crysler, которая начиная с 2003 года при окрашивании кузовов автомобилей марки Mercedes-Benz серий E, S, CL, SL и SLK использует прозрачный лак. Покрытие включает наноразмерные (~ 20 нм) керамические частицы, в связи с чем была изменена и молекулярная структура самого связующего состава. На практике это позволило значительно улучшить износоустойчивость, а вместе с тем и декоративные свойства лакокрасочного покрытияперечисленных вышемоделей.

Согласно опубликованной информации, компанией Du-Pont ведется разработка принципиально нового лакокрасочного материала с активным привлечением последних достижений в нанотехнологии. По сообщениям разработчика, новые лакокрасочные материалы будут экологически чистыми, износоустойчивыми, и, что самое примечательное, высыхание слоя такой краски при воздействии на него УФ-излучения не будет превышать 10 с. Правда, для работы с такой лакокрасочной системой предварительно необходимо вооружиться и новым оборудованием. Среди планов, намеченных компаниями, занимающимися разработкой и производством лакокрасочных покрытий, создание в скором будущем защитных лакокрасочных покрытий, способных произвольно менять свой цвет (в зависимости от подаваемого на них напряжения), атакже при необходимости блокировать проникновение радиосигналов заданныхчастот всалонавтомобиля(рис. 7.10).

Накопленный опыт в области наноразмерных частиц позволил немецким ученым заявить о возможности создания в скором времени ингибиторов коррозии нового поколения. Профессор химии Хельмут Шмидт обрисовал принцип действия новых ингибиторов

156

следующим образом: «…к стандартному покрытию автомобиля мы подмешиваем наночастицы, выполняющие функцию ингибиторов коррозии, причем придаем им такие свойства, чтобы они вслучае необходимости обеспечивали быструю диффузию соответствующих компонентов покрытия в зону повреждения и как бы затягивали рану». То, что такие ингибиторы коррозии обладают способностью свободно перемещаться внутри твердого лакокрасочного покрытия, профессором Шмидтом было доказано уже 10 лет назад. Тогда ему удалось обнаружить, что наночастицы на металлической, стеклянной или керамической поверхностях ведут себя как ионы в свободном растворе. Они стремятся обеспечить иподдерживать во всем объеме равновесие, а любой перепад концентрации, вызванный, к примеру, царапиной на лакокрасочном покрытии, тотчасвыровнятьзасчет диффузии.

Рис. 7.10. Принцип действия монослоя

Значительный потенциал несут в себе разработки новых материалов, которые могут быть использованы для конструирования автомобильных двигателей. Растущие год от года требования к показателям экономичности двигателей и снижению токсичности выхлопа заставляют автомобильных конструкторов вести активный поиск альтернативных чугуну и стали материалов. В качестве одного из наиболее перспективных, способных стать основой для создания новых моделей двигателя материа-

157

лов рассматривается модифицированный нанокомпозитными материалами пластик. Теоретически использование таких полимеров позволит значительно упростить сам процесс изготовления различных деталей двигателя, параллельно улучшится и их точность. Показатели жесткости и прочности модифицированного пластика близки к тем, что демонстрируют металлы, но при этом пластик гораздо легче, а его использование в конструкции автомобильного двигателя позволит значительно улучшить коррозионную устойчивость деталей, снизить уровень шумов двигателя, уменьшить технологические допуски.

Существенно продлить срок службы деталей, работающих

вусловиях экстремально высоких температур (свечи зажигания/накала, топливные форсунки и другие элементы камеры сгорания) может использование в них нанокристаллических компонентов.

Добавление в специальную жидкость наночастиц магнетита (оксида железа) с особым покрытием превращает ее в феррожидкость, вязкость которой можно изменять с помощью магнита. В современном автомобилестроении данный материал уже нашел свое практическое применение в качестве регулируемых по высоте амортизаторов.

Проводятся испытания электрохромной системы с целью ее использования в качестве покрытия для боковых и салонных зеркал. В процессе химической обработки ионы лития перемещаются, и атомы образуют ультратонкий слой, который меняет светопропускнуюспособностьстекла, создавая эффект затемненности.

Сиспользованием диоксида титана разработана технология самоочищающихся поверхностей. При попадании ультрафиолето-

вого излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция, в результате которой содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители – радикалы гидроокиси(HO), которыеокисляют ирасщепляют грязь.

Успешно продвигаются работы с учетом возможностей новой технологии по разработке солнечных батарей. Уже запущен

вмелкосерийное производство вариант автомобильной крыши, покрытой слоем кремниевых фотоэлементов мощностью 30 Вт.

158

Благодаря использованию нанотехнологий производителям автомобильной косметики удалось создать качественно новые составы шампуней и полиролей. Так, включение наноразмерных частиц в состав полиролей позволило значительно улучшить защитные свойства последних, так как, во-первых, наноразмерные частицы в состоянии лучше заполнять различные структурные повреждения лакокрасочного слоя, а во-вторых, на его поверхности они образуют гораздо более плотный и износостойкий защитный слой по сравнению с традиционными составами полиролей благодаря плотнойсеткепоперечно-межмолекулярных связей наночастиц.

Одной из наиболее динамично развивающихся областей нанотехнологий в секторе автомобилестроения является разработка и производство высокоэффективных антифрикционных, противоизносных и охлаждающих составов. Опытным путем было установлено, что применение данных составов приводит к сокращению расхода топлива на 2–7 %, износа деталей в 1,5– 2,5 раза, увеличению мощности двигателя на 2–4 %.

Добавление наночастиц в автомобильные шины увеличивает их гибкость и уменьшает износ.

Немецкая компания Lanxess разработала для шин полимерные материалы с наночастицами. Протяженность пробега таких покрышек больше на 15 % по сравнению с шинами из обычной резины. Также на основе нанотехнологий разработано специальное покрытие, которое способно отталкивать воду и грязь. В результате диск остается чистым и блестящим, как после мойки. Грязная масса просто скатывается с колеса благодаря достигнутой малой площади соприкосновения поверхности диска с водой или грязью. Диски с покрытием намного лучше противостоят «тормозной пыли». Кроме того, органические соединения, например топливо, меньше прилипают к поверхности. Зеркальной чистоты колеса на протяжении долгого времени никто не обещает, но уверяют, что любая грязь, нечаянно осевшая на диске, без труда будет удалена с поверхности. Помимо всего прочего, примененные нанотехнологии улучшают и качественные характеристики диска.

159

Mazda Motor Corp. использовала нанотехнологии для создания нового поколения каталитических нейтрализаторов, в которых использование редкоземельных металлов снижено практически на 90 %. В новой технологии используются наноразмерные частицы каталитического металла размером около 5 нм, размещенные на керамическом основании.

В автомобильных катализаторах (рис. 7.11) используются платина, родий и палладий, которые легко вступают в химическую реакцию с токсичными веществами, такими как окись азота, окиси углерода и углеводородов. После такой реакции получается менее токсичное соединение.

Рис. 7.11. Каталитический преобразователь, или катализатор

Применение наночастиц позволяет использовать при производстве меньшее количество металла, благодаря этому стоимость готовой продукции становится ниже. Одновременно с уменьшением количества металла увеличивается общая площадь катализатора за счет его пористости и увеличивается его эффективность (рис. 7.12).

Уменьшение содержания платины и палладия в катализаторах благоприятно отразится и на здоровье людей. Например, текущие исследования показывают, что выхлоп из каталитических нейтрализаторов, использующих металл платиновой группы, вдоль шоссейных дорог США может быть причиной критического роста аллергии и астмы.

160