2.4. Применение углеродных нанокомпозитов
Сфера эффективной реализации свойств углеродного нанокомпозита значительно шире рассмотренных направлений его технического применения. Уникальные свойства углеродного нанокомпозита, подкрепленные возможностью получения крупногабаритных изделий в промышленных масштабах, создали предпосылки для разработки и изготовления изделий современного машиностроения, не имеющих аналогов в мировой практике.
Его свойства представляют интерес для следующих областей современного машино- и приборостроения:
высокотемпературные приборы и оборудование,
химическое машиностроение,
медицинская техника,
эндопротезы,
торцевые уплотнения агрессивных сред,
электровакуумные приборы,
электрохимические приборы,
газодинамические подшипники,
и многих других областей.
2.4.1. Применение в машиностроении
Уникальные свойства углеродного нанокомпозита представляют интерес для предприятий энергомашиностроения.
Практический интерес для технической реализации в конструкциях перспективных изделий новой техники представляют антифрикционные свойства углеродного нанокомпозита.
Рис. 11. По коэффициенту трения в жидких средах в условиях торцевого уплотнения воды углеродный нанокомпозит в 5 раз превосходит углеродные материалы антифрикционного назначения традиционной технологии. 1 – углеродный нанокомпозит, 2 – углеродные материалы традиционной технологии.
Низкий коэффициент трения углеродного нанокомпозита в сочетании с химической инертностью и непроницаемостью для жидких сред обеспечивает работоспособность торцевых уплотнений агрессивных сред.
Высокие физико-механические характеристики и газонепроницаемость углеродного нанокомпозита, которые сохраняются до температур 2000oС, обеспечивают работоспособность высокотемпературных торцевых уплотнений энергонасыщенных узлов трения тепловых машин.
Рис. 12. В режиме сухого трения углеродный нанокомпозит не имеет следов износа и после 2000 циклов пуск–останов в жестких условиях разгона до критической скорости вала газодинамического подшипника и аварийного торможения. При этом он сохраняет минимальное среди традиционных антифрикционных материалов значение пускового момента трения. ^ – бронза, + – антифрикционный сплав, v – корундовая керамика, O – антифрикционный графит, пропитанный антифрикционным сплавом, • – углеродный нанокомпозит.
Углеродный нанокомпозит обеспечивает работоспособность газодинамических подшипников. Он хорошо работает практически с любым контртелом. Рекомендуемой парой является углеродный нанокомпозит-сталь ШХ15.
Рис. 13. Углеродный нанокомпозит заменил сплав вольфрам-рений при изготовлении диафрагм термоядерного реактора. Диафрагма из углеродного нанокомпозита в течение многих лет эксплуатации термоядерных реакторов типа Токамак серии Т-4, Т-3М и Т-7 успешно ограничивала рабочее тело реактора из водородной плазмы с температурой около 100 млн. град. Она успешно выдержала 8000 рабочих циклов термоядерного реактора без следов разрушений.
Замена диафрагмы из сплава вольфрам-рений на диафрагму из углеродного нанокомпозита обеспечила уменьшение потери мощности на излучение плазмы в 3 раза, увеличение количества полезных имульсов в 5 раз и снижение интенсивности рентгеновского излучения в 20 раз. В пересчете на применение углеродного нанокомпозита в качестве материала первой стенки термоядерного реактора электростанции тепловой мощностью 5 тыс. Мвт это означает выработку дополнительного количества электрической энергии в объеме 10 млрд. квт.ч/год.
Рис. 14. В данном проекте реализован весь комплекс уникальных свойств углеродного нанокомпозита. Определяющим преимуществом, обеспечившим принципиальную возможность применения углеродного нанокомпозита в столь жестких условиях, являются его низкие эмиссионные свойства. По коэффициенту катодного распыления он в 15 раз превосходит лучшие углеродные материалы традиционной технологии. 1 – углеродный нанокомпозит, 2 – современные углеродные материалы.
Производственной опыт эксплуатации термоядерных реакторов типа Токомак дает представление о потенциальных возможностях улучшения технико-экономических показателей современных тепловых машин за счет реализации высокотемпературных свойств углеродного нанокомпозита.