«Нанотехнологии – прорыв в будущее!»

Министерство образования и науки Хабаровского края

Исследовательская работа

Направление:

Техническое творчество

Тема:

«Нанотехнологии – прорыв в будущее!»

Учреждение:

Краевое государственное бюджетное

профессиональное образовательное учреждение

Комсомольский-на- Амуре авиастроительный лицей

Автор работы:

студентка I курса Коновалова Екатерина

Научный руководитель:

педагог дополнительного образования

Володина Татьяна Серафимовна

2015г

Автор: Коновалова Е.

Ключевые слова: наночастицы, фуллерены, нанотрубки, графен, терморасширенный графит,инфузионная технология

Спешу на занятие в студию. Не думала, что с первых дней полюблю лицей, практическое освоение фрезерного ремесла, а особенно, внеурочные часы в студии «Молодой технолог». Здесь ребята проектируют и изготавливают приспособления, модели станков, инструменты, арт-объекты, которые: выставляются в музее нашего образовательного учреждения; участвуют в выставках технического творчества.

Все макеты, т.е. их детали, выполняются из алюминиевого сплава с использованием токарных и фрезерных операций, мне стало интересно, а какие материалы получаются с использованием нанотехнологий и что это такое на самом деле.

Отцом нанотехнологий является Ричард Фейнман, знаменитый американский ученый, лауреат Нобелевской премии, известный своими выдающимися открытиями в квантовой физике. В 1959 году 29 декабря на рождественском обеде Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте профессор Ричард выступил с лекцией под странным названием «Внизу полным-полно места». В ней прозвучала мысль о манипуляции отдельными атомами и молекулами, о возможности искусственно создавать вещества и объекты, собирая их атом за атомом, молекула за молекулой. Другими словами, Ричард Фейнман предлагал использовать атомы как некий строительный материал, вроде мельчайших кирпичиков или крохотных деталей, невидимых невооруженным глазом.

Идея Ричарда не была абсолютно новой. Задолго до него, еще в Средние века алхимики пытались превратить один металл в другой, точнее говоря, свинец в золото, научиться изменять состав химических элементов. Древние египтяне и греки несколько тысяч лет назад использовали вещество с наночастицами – минерал галенит, соединение на основе свинца, для окрашивания волос. Наночастицы галенита легко проникали во внутрь волоса и окрашивали его в черный цвет.

Средневековые мастера, изготавливавшие стекла для витражей, заметили, что крохотные частички золота меняют цвет в зависимости от своих размеров. Они могут быть зелеными, оранжевыми, красными, пурпурными.

Уникальным даром человечеству является шунгитовый целебный источник. На его дне залегает минерал шунгит, содержащий природные наночастицы, которые и делают воду полезной для здоровья.

А вода, обработанная серебром, говоря другими словами, содержащая наночастицы серебра, может храниться, не портясь, годами и даже становиться целебной? При этом, уничтожая микробы и вирусы, серебряные наночастицы ничуть не повреждают человеческий организм, для него они безвредны.

Исследованием свойств наноматериалов занимаются целые институты и крупные фирмы. Способы производства и применения таких материалов получили название нанотехнологий.

Было выяснено, что ткань, в которую добавлены наночастицы серебра, сама себя очищает, дезинфицирует. Из такой ткани изготавливают больничное постельное белье, полотенца, занавески, и что очень важно, при стирке этих вещей наночастицы не вымываются, остаются и продолжают обеспечивать стерильность. Разработаны угольные фильтры с наночастицами серебра для очистки воды, специальные дезинфицирующие нанокраски для окрашивания стен больничных помещений. Но есть и другие защитники.

Так, например, химическое соединение цинка с кислородом, оксид цинка, отличается тем, что его наночастицы способны поглощать различные виды электромагнитного излучения: радиочастотное, микроволновое, излучение ультрафиолетовых лучей. Уникальными свойствами обладают наночастицы диоксида кремния (химического соединения кремния с кислородом). Достаточно покрыть, например, стену этим веществом, и она становится самоочищающейся: грязь к ней уже не пристает.

Но как же получаются наночастицы, как их изготовить?

Первый способ заключается в измельчении исходного материала механическим путем – диспергационный метод.

Второй способ – мощным электрическим импульсом, когда исходный материал помещают между двумя электродами.

Третий способ – конденсационный, когда исходное вещество сначала нагревают, расплавляют, испаряют, затем, резко охлаждают. Он конденсируется и превращается в наночастицы.

Правда, состояние образовавшихся наночастиц неустойчивое, если не принять мер, не законсервировать их, то они начнут слипаться и в конце концов превратятся в прежний сплошной материал. Но если в массу образовавшихся наночастиц добавить стабилизатор, например раствор белков, молекулы которых покроют поверхность наночастиц, то это будет препятствовать их укрупнению. А изменяя состав стабилизатора, можно получать наночастицы требуемого размера.

Настоящей сенсацией в 1985 году стало открытие новой разновидности углерода, получившей название фуллерен в честь архитектора Ричарда Фуллера, который первым спроектировал и построил купол здания, похожий по своей конструкции на молекулу вещества, открытого нобелевскими лауреатами Ричардом Смолли, Робертом Керл, Гарольдом Крото.

Молекула этой ранее неизвестной разновидности углерода имела кристаллическую решетку, состоящую из 60 атомов. По виду молекула сильно отличалась от известных и напоминала футбольный мяч, сшитый из многогранных лоскутков кожи.

Фуллерены – это наночастицы, обладающие некоторыми чертами графита и алмаза, но имеющие и свои, очень ценные, особенности. Кристаллы (фуллериты) нашли применение в электронике, в компьютерах.

А вскоре, в 1991 году, были открыты еще более удивительные наночастицы углерода, родственники фуллеренов, углеродные нанотрубки. Исследуя сажу, которая появлялась после электродугового разряда на электроде, японский ученый Сумио Ииджима увидел незнакомые частицы в виде трубок с закругленными концами и сетчатыми стенками. Это были углеродные нанотрубки, диаметром всего около одного нанометра (то есть в 50 тысяч раз тоньше человеческого) волоса и длиной несколько сотых миллиметра. Рис.1

Оказалось, что они бывают однослойными и многослойными, как бы вставленными одна в другую, состоят из нескольких миллионов атомов и обладают просто фантастическими свойствами. Они раз в сто прочнее самой лучшей стали, но при этом гибкие и намного легче. Считается, что нанотрубки – рекордсмены прочности и что прочнее материала создать просто невозможно. Образец стали, взятый от подлинной дамасской сабли работы известного оружейника семнадцатого века Ассэда Уллаха, ученые Дрезденского университета (Германия) четыре года назад исследовали с помощью электронного микроскопа высокого разрешения. В структуре материала они обнаружили углеродные нанотрубки. Рис.2

Рис.1

Ученые и до этого не раз пытались определить микроструктуру дамасской стали, но на этот раз они сначала протравили образцы соляной кислотой, и именно это дало неожиданные результаты. После обработки обнаружились неразрушенные структуры цементита (карбида железа, который упрочняет сталь). Это позволило физикам предположить, что волокна цементита заключены в углеродные нанотрубки которые и защищают его от растворения в соляной кислоте.

Рис.2

Откуда в дамасской стали взялись нанотрубки? Сформировались из углеводородов внутри микропор, причем катализатором могли служить ванадий, хром, марганец, кобальт, никель и некоторые редкоземельные металлы, содержащиеся в руде. При производстве дамасской стали температура обработки была ниже стандартной — 800°C. Во время циклической тепловой обработки получались углеродные нанотрубки, которые потом превращались в нановолокна и крупные частицы цементита (Fe₃C). Циклическая механическая обработка (ковка) и соответствующий температурный режим постепенно распределяли углеродные нанотрубки в плоскостях, параллельных плоскости ковки, делая микроструктуру стали мелкозернистой и пластинчатой. И действительно, как показали последние исследования ученых из Дрезденского технического университета, микроструктура цементита представлена нановолокнами.

Нанотрубки могут быть не только отличными проводниками электричества, но и полупроводниками, а значит, просто бесценными материалами в электронике. Китайские нанотехнологи изготовили из нанотрубок необыкновенно прочные нитки. Английские – получили сверхпрочную бумагу.

2010 год ознаменовался открытием еще одного удивительного материала. Выходцы из России - Константин Новоселов и Андрей Гейм, работающие в Англии в Манчестерском университете, получили самый тонкий в природе материал - графен, слой углерода толщиной всего лишь в один атом. За свое открытие они удостоены Нобелевской премии.

Основными направлениями развития нанотехнологий в металлургии являются: компактирование и спекание нанопорошков в порошковой металлургии; интенсивная пластическая деформация металла; обработка заготовок потоком высокоэнергетических частиц; нанесение упрочняющих металлических покрытий; кристаллизация наночастиц из аморфного состояния и внесение наночастиц модификатора в исходный расплав.

Одной из интересных научных разработок в области нанотехнологий являются методики интенсивной пластической деформации металлов для получения наноструктурированных заготовок. Металл приобретает структуру с размером частиц в несколько сотен нанометров в результате сильных механических воздействий. Большое будущее специалисты прочат аморфным сталям (неупорядоченным на атомарном уровне системам) и композитам на их основе. Среди разрабатываемых приемов получения новых композитов следует упомянуть целенаправленное внесение наночастиц-модификаторов (например, фуллеренов, углеродных нанотрубок, тугоплавких оксидов) в металлический расплав до начала кристаллизации основной массы металла.

Ведется разработка технологии создания объемных "вязаных" композитных конструкций на основе алюминиевого волокна. Этот метод основан на использовании металлического волокна с особыми способами упрочнения, что позволяет снизить общий вес конструкций до 40%. Использование легких и прочных алюминиевых композитов позволит уменьшить вес транспортных средств, экономить топливо и сокращать выбросы углекислого газа в атмосферу.

Разработана новая технология получения алюминия, так называемая технология инертного анода, при которой в электролизере не расходуется углерод. Новинкой или особенностью выполняемых разработок инертного анода является применение наноматериалов. Применение нанопорошка никеля в инертных анодах системы NiFe2O4-Fe2O3-Ni позволило добиться высокой плотности получаемых образцов. При определенном соотношении исходных компонентов и технологических параметрах производства плотность получаемых образцов достигала 99,8% от теоретической, что на 5-10% превышает полученные ранее результаты с применением порошков микронной размерности. Еще одним новшеством, связанным с применением наноматериалов, является использование нанопорошков металла для стабилизации поверхности анода. Путем добавления нанопорошков в электролит для гальванического осаждения анодного покрытия можно добиться многократного повышения коррозионной устойчивости анода.

Проведены исследования взаимодействия в порошковых материалах системы «медь – углеродные фазы» для электродов-инструментов. Изготовление медно-графитовых материалов считается технологически непростой задачей, так как медь не взаимодействует с графитом химически и адсорбционно. Изучалось формирование структуры углеродных фаз – коллоидного графита, терморасширенного графита и углеродных нанотрубок – при спекании с медью, была установлена зависимость относительного износа электрода-инструмента при электроэрозионной прошивке от его состава.

Структура спеченных материалов систем «медь-углеродные фазы» состоит из медной основы, пор и дисперсионных частиц углеродных фаз. В изломах спеченных материалов частицы углеродных фаз хорошо различимы. Рис.3

Рис.3

В материалах содержащих графит, видны частицы чешуйчатого коллоидного графита (рис.3, а), и чешуйки терморасширенного графита с хорошо различимыми «закрученными» графеновыми плоскостями (рис.3,б). На изломе материала, содержащего «таунит», хорошо видны тонкие углеродные нити, сохранившие исходную форму и размеры (рис.3, в).

Рис.3

Установленные механизмы влияния структуры композиционных материалов открывают новые возможности создания материалов для электродов-инструментов с улучшенными свойствами методом порошковой металлургии.

Композиционные материалы на основе терморасширенного графита и модифицированной силиконовой смолы нашли применение при изготовлении (шаров и седел) в шаровых затворных узлах. Данные детали можно получить тремя способами:

1. Высокоточной механической обработкой деталей из легких и прочных алюминиевых сплавов в окончательный размер.

Сутью этой технологии является окисление поверхности алюминиевой детали до состояния тугоплавких окислов алюминия под воздействием высокочастотных искровых разрядов (плазмы) в водном электролите. Формируемое при этом керамическое покрытие обладает высокой прочностью, теплостойкостью и диэлектрическими характеристиками.

1. Целиком из износостойких керамико-металлических материалов – керметов на основе карбида титана со связками из никелевых сплавов и сталей (TiC-Me).

3.Из композиционного материала на основе терморасширенного графита (ТРГ) и модифицированной силиконовой смолы.

Разработанный композиционный материал обладает повышенной упругостью, низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью.

Так как лицей, в котором я обучаюсь, авиастроительный, то обойти вопросы, связанные с нанотехнологиями в индустрии самолетостроения, я не смогла.

Найдены такие интересные факты: • В авиалайнере Ту-214 около 25% всей конструкции выполнены из композитных материалов, а в новейшем Boeing-787 Dreamliner – 50%. Новые самолеты «Сухой Superjet» и МС-21 будут содержать значительно больше композитных материалов, на них планируется установить так называемое «черное крыло», все элементы конструкции которого будут сделаны из углеродного композита.

Самолет МС-21 станет первым отечественным гражданским самолетом с крылом из композиционных материалов. Размах крыла МС-21 составит 36,8 метра, вес – около 6 т. Крыло для гражданского авиастроения создается по уникальной безавтоклавной инфузионной технологии.

Инфузионная технология позволяет производить крыло как целостную конструкцию. Благодаря применению промышленных роботов и лазеров производство составных частей крыла происходит быстрее и дешевле по сравнению с традиционной автоклавной технологией.

Главное преимущество композита - высокая удельная прочность и возможность изготовления сложных конструкций без применения крепежа. Композитное, или "черное" крыло дает значительный выигрыш в весе самолета, позволяет улучшить аэродинамику, что позволяет существенно повысить экономичность эксплуатации самолета, обладает хорошей электрической проводимостью, что позволяет минимизировать ущерб при ударах молнии в самолет. Заряд распределяется по всему корпусу, и лайнер остается без серьезных повреждений. В мировом авиастроении эта технология используется впервые.

Нынешние технологии уже позволяют создать сложные виды обшивки для воздушных аппаратов. "Умная обшивка", которая может изменять форму, панцирь-радар из двух слоев, солнечные батареи на крыльях — все эти наработки скоро могут стать привычной реальностью.

Большинство нынешних самолетов обшивается дюралем. Также применяются разные сплавы, титан и нержавеющая сталь. А вот, например, в "Дримлайнере" — американском лайнере — обшивку делали из углепластиков, и потому он стал, в некотором смысле, прорывом. Правда, традиция обтягивать самолеты тканями, в целом, жива и сейчас, но теперь ее используют вместо металла! Вроде бы, как и ранее, "каркасы" самолетов все также покрываются панелями обшивки, но вот технология используется совершенно другая, хоть разница в конструктивном плане не слишком велика.

К примеру, среди новейших идей можно отметить такую: обшивку делают из элементов, которые могут менять форму при пропускании через них электрического тока. На сегодня авиационная промышленность уже научилась наносить “анализирущий” слой. Листы обшивки со встроенными сенсорами просто приклеивают к корпусу наподобие переводной картинки.

Нанопластинки солярных аккумуляторов, которые интегрируются в обшивку авиалайнеров, решат проблемы с энергоснабжением кучи электроприборов, начиная печками для разогрева обедов и заканчивая питанием устройств и приборов. Сейчас энергию для них вырабатывает генератор, работающий от специальной турбины. Но зачем такие ухищрения, если современные лайнеры летают преимущественно над облаками, где в солнечном свете нет недостатка, воздух чистый и КПД солнечных батарей максимален.

В настоящее время исследуется возможность использования нанотехнологий для борьбы с обледенением самолетов. Как известно, это наиболее опасное явление, затрудняющее и усложняющее эксплуатацию летательных аппаратов, как в наземных условиях, так и в полете, часто приводящее к трагическим последствиям. При переходе на композитные конструкции сложность этой проблемы значительно возрастает и требуется проведение широких исследований по поиску наиболее рациональных форм ее решения.
Другим важным направлением в развитии нанотехнологий в интересах авиации является разработка и использование нанодатчиков и наноактиваторов для решения задачи глобального мониторинга обтекания самолета и оценки его напряженно-деформированного состояния. Реализация этого направления может позволить существенно повысить безопасность полета и увеличить эффективность применения самолета. 
В космических аппаратах применяют два вида солнечных батарей – кремниевые и арсенид-галлиевые на германиевой подложке. Первые производить дешевле и проще, поэтому они занимают подавляющую долю российского рынка.

Для вторых требуются дефицитные материалы, они стоят значительно дороже кремниевых, но гораздо эффективнее. Поэтому, несмотря на высокую цену, заказы на арсенид-галлиевые батареи растут, а значит, в России выгодно развивать собственное производство этих солнечных модулей.

В заключении надо сказать, что нанотехнологии это наше будущее. За счет использования нанотехнологии в ближайшие десятилетие прогнозируются увеличение прочности основных конструкций металлов в 1,5–3 раза.

На развитие нанонауки и нанотехнологий тратятся миллиарды долларов. Ныне во всем мире нанотехнологиями занимаются около четырех тысяч крупных компаний, фирм и научных институтов. Во всех передовых странах исследованиям наночастиц уделяется огромное внимание. От развития нанонауки зависят многие достижения: в промышленности, строительстве, науке, медицине, образовании, культуре, сельском хозяйстве, космосе. Но главное достижение нанотехнологий будет в изменении жизни людей, их поведения, интересов, увлечений.

Библиографический список

1. Черненко Г.Т. Нанотехнологии: настоящее и будущее // СПб. «БКК», 2011. –(Серия «Узнай мир»)

2. Оглезнева С.А., Прозорова С.Е….Исследование взаимодействия в порошковых материалах системы «медь-углеродные фазы» для элктродов-инструментов // Металлообработка 3(87)/2015. С. 35-44

3. Караваев Д.М., Нестеров А.А.,……Перспективы снижения затрат на металлообработку шаровых кранов, работающих при температурах свыше 200°С. // Металлообработка 3(87)/2015. С.49-52

4. Смотрова С. А. Об использовании наноматериалов и нанотехнологий для изготовления конструкций ДПМ, применяемых при изучении явлений аэроупругости в АДТ // Тр. ЦАГИ. Вып. 2675. 2007. С. 188–193

5. http://aviac.ru

6. http://wordscience.org/novyj-samolet-sinergiya-obeshhaetluchshuyu-ekonomiyu-toplivachem-avtomobil.html

7. http://www.invur.ru/index.php?page=news&id=99872

8. http://www.ineffableisland.com/2010/10/submersible-aircraftsubmersible.html

9. http://www.innoros.ru/news/13/10/umnaya-kozha-dlya-samoletov

10. http://www.metaprom.ru/pub376.html

11. http://www.innoros.ru/news/tags/innovatsii-v-aviastroenii

12. http://ecsocman.hse.ru/data/119/769/1223/aviation.pdf

13. http://irooo.ru/images/_rrc/26-02-13-Kosmos.ppt

14. http://newnano.ru/nanotehnologii-kak-nauka/nanotehnologii-v-kosmonavtike/page-2.html

15. http://www.corrosio.ru/posts/supergidrofobnost-v-byitu-ili-dostupnyie-nanotehnologii

16. http://nanocorporetion.blogspot.ru/p/nanotehnologii-v-bitu.html

7