1533

Впромышленности стали использовать нанопорошки (А12O3– TiO2, WC–Со, Cr3C2–Ni и др.) для получения износостойких покрытий

ивосстановления изношенных изделий методом газотермического напыления. Этот метод весьма производителен; твердость и износостойкость повышаются в 1,3–2 раза. Агломерированные нанопорошки для газотермического напыления изготавливают в промышленных масштабах в США.

Впромышленности уже давно эффективно используются полировальные пасты и противоизносные препараты на основе наночастиц. Последние (например, на основе бронзы) вводят в зоны трения машин и различных механизмов, что значительно повышает ресурс их работы и улучшает многие технико-экономические показатели (например, снижается в 3–6 раз содержание СО в выхлопных газах). На поверхности пар трения в процессе эксплуатации формируется противоизносный слой, образующийся при взаимодействии продуктов износа и вводимых в смазку наночастиц. Препараты типа РиМЕТ в промышленном масштабе производятся в России научно-производственным предприятием «Высокодисперсные металлические порошки» (Екатеринбург).

Для аэрокосмических технологий разработаны новые пленочные антифрикционные композиционные наноматериалы на основе

TiN/MoS2, TiB2/MoS2, WC/аморфный углерод/WS2. Эти объекты, получаемые магнетронным распылением или лазерным испарением, характеризуются, с одной стороны, значительной твердостью (около 10– 20 ГПа), что обеспечивает высокую износостойкость, а с другой стороны, низким коэффициентом трения (менее 0,1), что обусловлено наличием в структуре так называемых твердых смазок (халькогенидов переходных металлов VI группы Периодической системы). Размер фазовых включений составляет менее 5–10 нм. Эти материалы могут стабильно использоваться при трении в различных средах (в вакууме, влажном воздухе, азоте и т.д.) в широком интервале температуры.

Добавки частиц и волокон в полимерные матрицы – хорошо известный прием повышения физико-механических свойств полимеров, а также их огнестойкости. Замена многих металлических материалов на полимеры, армированные наночастицами, приводит в автомобилестроении к уменьшению массы автомобиля, снижению потребления бензина и вредных выбросов. В США разработана специальная программа, предусматривающая создание легких и экономичных полимерных нанокомпозитных материалов для автомобилестроения, строительства и других отраслей.

111

elib.pstu.ru

Добавки сажи к резинотехническим и другим пластмассовым изделиям уже давно широко применяются. Однако эта технология по экологическим требованиям далека от совершенства, и в настоящее время проводятся исследования с использованием других добавок (наноча-

стиц Аl2O3, SiO2 и т.д.).

Интенсивно изучаются физико-механические свойства нанокомпозитов, содержащих добавки нанокристаллов алмаза и углеродных нанотрубок. Полученные данные свидетельствуют о возможности повышения прочности и особенно износостойкости. В табл. 7.1 приведены сравнительные данные по свойствам политетрафторэтилена с добавками технического углерода и нанокристаллического алмаза. Преимущества алмаза очевидны; упрочнение за счет добавок углеродных нанотрубок может быть еще более значительным.

Таблица 7 . 1

Характеристики политетрафторэтилена с добавками технического углерода и нанокристаллического алмаза

Наноматериалы для фильтров и сенсоров. Катализаторы, краски,

пористые среды, включая фильтры, химические источники энергии и сенсоры – это одни из наиболее характерных приложений наноматериалов в химической и других отраслях промышленности. Пористые наноструктуры используются для диффузионного разделения газовых смесей (например, изотопов и других сложных газов, отличающихся молекулярной массой).

Фотокаталитические свойства нанокристаллического ТiO2 нашли применение в приборах для очистки воздуха от органических загрязнений бытового и промышленного происхождения в различных помещениях: квартирах, цехах, детских садах, больницах, бытовках, офисах и т.д. Принцип работы приборов основан на фотокаталитическом окислении органических примесей на поверхности нанокристаллического ТiO2 под воздействием ультрафиолетового излучения (рис. 7.2).

112

elib.pstu.ru

Ультрадисперсные порошки используют для изготовления многослойных фильтров тонкой очистки. В научно-производственном центре «Ультрам» (Москва) под руководством В.Н. Лаповка и Л.И. Трусова разработана широкая гамма пластинчатых и трубчатых фильтрующих элементов из пористой нержавеющей стали со слоем из ультрадисперсного порошка на основе TiN или TiO2. Тонкость фильтрации для газовых сред таких фильтров может доходить до 10 нм (при перепаде давления 0,1 бар) и для жидких сред – до 10–100 нм (при перепаде давления 2–5 бар). Фильтры прошли эксплуатационную проверку и запатентованы в России, США и странах ЕЭС. Разделение водно-масляных эмульсий, очистка сточных вод и жидких радиоактивных отходов, фильтрация продуктов распада клеток, осветление фруктовых соков – вот далеко не полный пе-

снижения стоимости и длительности стабильной работы все еще не решены. Тем не менее многие положительные качества наносенсоров, такие как высокая чувствительность, селективность, быстрота отклика, возможность изменения их физико-химических и физико-механических свойств, определяют перспективы их широкого применения.

Аморфные металлы для наноштампов. Одним из многообе-

щающих и недорогих методов изготовления миниатюрных устройств является наноштамповка (nanoimprinting). В этом методе детали структур на поверхности термопластичных материалов (обычно, полимеров) выдавливаются при помощи твердых формочек. И именно эти прессформы являются слабым местом всей технологии. Формы из кремния, как правило, служат недолго из-за их хрупкости. Металлы тоже плохо

114

elib.pstu.ru

подходят, так как изготовление нанорисунков на их поверхности ограничивается размерами зерен в их структуре.

Исследователи из Yale University предложили использовать для наноштамповки аморфные металлы (или металлические стекла) 35 . На их поверхности путем горячего выдавливания можно создавать элементы рельефа размером от 13 нм. Далее после термической кристаллизации материал становится твердым, сохраняя нанесенный рисунок, и может использоваться для текстурирования других аморфных образцов – полимеров или таких же аморфных металлов. Таким образом, становится возможным тиражировать нанорисунки в крупных масштабах без использования дорогостоящих литографических процессов.

Метод штамповки имеет и ряд фундаментальных ограничений, связанных с вязкостью термопласта и капиллярными силами, препятствующими заполнению форм, особенно наноразмерных. Однако исследователи преодолели и эту трудность, меняя состав металлических стекол и контролируя их смачиваемость. Например, стало возможным легко изготавливать длинные металлические наностержни с диаметром 13–55 нм, используя в качестве матрицы пористый анодированный оксид алюминия (рис. 7.4 и 7.5). Но наиболее выгодным является использование закристаллизованной формы из того же металла, так как при этом достигаются наилучшие условия смачивания.

Рис. 7.4. Аморфные металлические наностержни различного диаметра, полученные при помощи форм из анодированного оксида алюминия

115

elib.pstu.ru

выше, чем в кристаллическом состоянии, пределы текучести и прочности для ряда металлических стекол близки к рассчитанным теоретическим значениям. Однако модули упругости аморфных металлов ниже, чем в кристаллическом состоянии, что может быть связано с уменьшением сил межатомной связи.

Механические свойства аморфных металлов в значительной степени определяются отсутствием дислокаций. Отсутствие дислокаций приводит к тому, что металлические стекла обладают очень высокой прочностью, а благодаря высокой твердости они износостойки. Однако отсутствие дислокаций приводит к снижению пластичности аморфных сплавов. Металлические стекла не так хрупки, как обычное стекло, их можно прокатывать при комнатной температуре. Среди других уникальных особенностей металлических стекол можно отметить слабое поглощение звука, каталитические свойства.

Одним из основных преимуществ аморфных металлических сплавов является их исключительно высокая коррозионная стойкость, которая у некоторых металлических стекол на несколько порядков выше, чем у лучших нержавеющих сталей. Во многих агрессивных средах (морской воде, кислотах) металлические стекла вообще не корродируют. Предполагается, что основная причина высокой коррозионной стойкости аморфных сплавов заключается в отсутствии специфических дефектов кристаллической решетки – дислокаций и границ между зернами. Бездефектная структура аморфного сплава передается образующейся на начальных стадиях коррозионного процесса на его поверхности тонкой окисной пленке, которая в дальнейшем защищает металл.

Крепежные изделия в автомобилестроении. Высокие прочностные и усталостные свойства наноструктурного титана открывают перспективу использования его в технике. Например, исследована возможность конструкционного применения наноструктурного титана для высокопрочных резьбовых крепежных изделий вавтомобилестроении(рис. 7.6).

На заготовки, полученные РКУ прессованием, накатывалась резьба на специальной установке. Полученные резьбовые шпильки служили образцами для испытаний на малоцикловую усталость [8]. Схема нагружения представляла собой знакопостоянное растяжение при пульсирующем цик-

ле при mах = 450 МПа и min = 0. По результатам испытаний установлено, что формирование наноструктуры в матрице шпильки позволило сущест-

венно повысить циклическую долговечность резьбы в малоцикловой области (число циклов до разрушения для шпилек из исходного и наноструктурного титана составлялосоответственно4211 и 17504).

117

elib.pstu.ru

звукоизолирующие устройства;

гомогенизаторы жидкостей и газов;

электрофильтры;

адсорберы;

наполнители многослойных конструкций;

поглотители энергии удара;

демпферы ударных волн;

экраны от электромагнитного излучения.

В настоящее время целый ряд российских предприятий производит изделия из пеноникеля. Например, ЗАО «Новомет-Пермь» производит пеноникель с размером пор 10–80 ppi (для фильтроэлементов это соответствует тонкости фильтрации 2,5–0,3 мм), плотностью 0,3–1,5 г/см3 ввиде:

пластин с размерами 500 × 700 мм, толщина 5–40 мм;

цилиндров диаметром 40–100 мм, длиной до 700 мм;

пластин с припеченным слоем мелкодисперсного порошка. Примером изделия, изготовленного с применением пеноникеля

может служить скважинный пенометаллический многослойный фильтр

(СПМФ) (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Скважинный пенометаллический многослойный фильтр

Фильтр СПМФ предназначен главным образом для ликвидации пескопроявлений нефтяных и газовых скважин, обсаженных эксплуатационными колоннами, а также для очистки пластовой жидкости от механических примесей 36 .

Основным функциональным элементом фильтра СПМФ является многослойная оболочка из пеноникеля с изменяющимся по специальному закону размером пор по слоям. Задержание механических примесей происходит при прохождении загрязненной пластовой жидкости

119

elib.pstu.ru

через слои пеноникеля. Тонкость очистки определяется пеноникелевой оболочкой с наименьшим размером пор.

Еще одним примером наноматериала является пенографен. Одним из неоспоримых преимуществ графена является высокая подвижность носителей заряда (до 2·105 см2/В·с). Однако для его практического применения зачастую необходимо создание трехмерных структур. Тем не менее предпринимавшиеся до сих пор попытки по созданию композитов и макроструктур графена обладали одним, но нивелирующим саму идею создания трехмерной структуры «графена» недостатком – низкой проводимостью в местах стыка.

Коллектив китайских ученых предложил весьма оригинальный способ получения трехмерных графеноподобных структур, в которых решены проблемы «плохих» стыков 37 .

В своей работе в качестве исходного каркаса они использовали пеноникель, благодаря многочисленным порам которого методом химического осаждения наносились слои графена (разложением метана при 1000 С). Прежде чем удалить никелевый каркас травлением горячей соляной кислотой, исследователи нанесли тонкий слой ПММА (полиметилметакрилат) на поверхность слоев графена, чтобы избежать травления самого графена. Окончательная трехмерная структура (повторяющая структуру никелевого шаблона) получается после удаления пассивирующего слоя полимера горячим ацетоном.

Предложенный метод оказался весьма универсальным, позволяя получить «пенографен» (GF) различной структуры (варьируя исходный каркас никеля) и с различным количеством слоев графена (изменяя концентрацию метана). Таким образом, удается получить материал с необходимой удельной площадью поверхности, плотностью и проводимостью (рис. 7.9).

Полученный материал можно использовать при создании гибкой электроники. Авторы разработки создали гибкий композит GF/ПДМС (полидиметилсилоксан), обладающий весьма высокой удельной проводимостью (10 См/с) благодаря сохранению неизменной структуры пенографена.

Полученные материалы являются, безусловно, весьма перспективными для использования в качестве гибких проводников, материалов электрода и катализаторов благодаря высокой пористости (до 99,7 %), площади удельной поверхности (до 850 м2/г) и проводимости.

120

elib.pstu.ru