Тема 5. Использование наноматериалов в практической деятельности

Разнообразие принципиально новых свойств материалов в наносостоянии позволяет использовать их для качественно новых приложений в различных отраслях промышленности.

Применение наноматериалов позволяет создавать конструкционные материалы с повышенными механическими свойствами.

Одним из направлений практического применения наноматериалов в качестве конструкционных материалов является изготовление высокопрочных изделий из титана и его сплавов, которые широко используются в авиа– и автомобилестроении.

Алюминиевые наноструктурные сплавы используются для получения лёгких изделий сложной формы в режиме высокоскоростного сверхпластического формообразования.

Керамические материалы, получаемые компактированием легированных наноматериалами нитридных керамик, применяют в качестве конструкционных и жаростойких материалов, например, для изготовления двигателя внутреннего сгорания и газовой турбины, режущих пластин.

Внедряются в практику металлургического производства огнеупоры из наноматериалов – это футеровки доменных и электросталеплавильных печей, конвертеров, сталеразливочного комплекса, подин нагревательных печей, цементных вращающихся печей, а также печей цветной металлургии.

Из алмазосодержащей шихты разработаны и изготовлены опытные партии волок для холодного волочения проволоки из меди, серебра, золота, платины; сопел для гидрорезки изделий во взрывоопасных условиях; сопла позволяют проводить процесс разрезки при давлении до 500 МПа и скорости струи более 100 м/с.

Наноматериалы используются в различных материалах и технологиях машиностроения в качестве многофункциональных присадок к моторным, трансмиссионным и индустриальным маслам; пластических смазок; технологических смазок для обработки металлов давлением; смазочно–охлаждающих жидкостей, использующихся в процессах резания металлов; доводочно–притирочных паст и суспензий; объёмно–модифицирующих добавок.

Нанопорошки добавляют в качестве присадок в абразивные суспензии и пасты для притирочно–доводочных работ. Введение наноматериалов в состав масел и паст в процессе приработки пар трения позволяет заполнить впадины, микротрещины частицами дисперсной фазы.

На основе наноматериалов возможно создание сухих смазочных материалов, твёрдосмазочных покрытий, карандашей твёрдой смазки и т.п. Магнитопорошковые сухие смазки обладают низким коэффициентом трения, с достаточно высокими магнитными свойствами и высокой дисперсностью, и, следовательно, они практически не оказывают абразивного воздействия на герметизируемую деталь (вал, шток и др.), могут быть удержаны в рабочем зазоре магнитным полем, выполняя в этом случае функцию герметизатора магнитной псевдожидкости. Сухие смазки изготавливаются из нанопорошка железа, никеля, алмазосодержащей шихты.

Наноматериалы используются в качестве компонентов припоев, промежуточных слоёв в различных вариантах технологий сварки. Диффузионная сварка через промежуточные слои является одним из перспективных способов соединения разнородных материалов: как металлов, так и неметаллов. Использование прокладок из наноматериалов позволяет повысить прочность соединения, снижая химическую неоднородность сварного шва, снимая остаточное напряжение и устраняя влияние различий в термических коэффициентах линейного расширения свариваемых материалов, способствует предотвращению их пластической деформации и резкому снижению параметров режима сварки – температуры, давления и времени.

Перспективно использование наноматериалов в качестве защитных, декоративных и износостойких покрытий.

При нанесении хром–алмазных покрытий срок службы изделий увеличивается во много раз: прессовая оснастка для холодного прессования порошков металлов увеличивает срок службы в 15 – 20 раз, матрицы и пуансоны для глубокой вытяжки металлов – в 2,5 – 4 раза, ножовочные полотна – в 4 – 8 раз, газораспределительные валы двигателей внутреннего сгорания – в 2 – 2,5 раза. Нанесение кобальт–алмазных покрытий на записывающие головки магнитофонов повышает их износостойкость в 6 раз. Стойкость алмаз–серебряных покрытий по сравнению с обычными повышается в 3 раза, алмаз–никелевых - в 4 – 5 раза.

Электромагнитные свойства наноматериалов нашли широкое применение для создания магнитных материалов: жидких магнитов, лент магнитной и видеозаписи, кредитных перфокарт, магнитных экранов, дисков памяти компьютеров, сердечников высокочастотных трансформаторов, постоянных магнитов и магнитопроводов, материалов электроконтактов и др.

Эффективно использование наноматериалов в качестве катализаторов: высокий уровень каталитической активности обусловлен большим количеством и высокой активностью поверхностных центров, что обеспечивает значительное по сравнению с традиционными катализаторами ускорение химических реакций.

В промышленном гетерогенном катализе широко используются катализаторы на различных носителях. В качестве носителя используются оксиды Al₂O₃, SiO₂, ZnAl₂O₄, MgAl₂O₄, органические плёнки. Получают катализаторы из Pt, Pd, Ir, а также биметаллические системы Pt–Re, Pt–Sn, Pt–W, Ni–Sn оксидов меди, кобальта, хрома, марганца.

Важным направлением катализа является очистка промышленных отходящих газов. Катализаторы глубокого окисления, содержащие нанопорошки оксидов неблагородных металлов (состав CuCrCoNiCe – 60:30:5:2:3), показали степень очистки отходящих газов печей от угарного газа и метана в пределах 94 – 99 %. Показана перспективность использования каталитических покрытий на основе нанопорошков оксидов меди для снижения содержания органических вредных веществ в газовых выбросах промышленных предприятий.

Каталитические нейтрализаторы выхлопных газов автомобильных двигателей созданные на основе наноматериалов, позволили снизить содержание оксида углерода для дизельного двигателя в 7 – 40 раз, для бензинового – более чем в 10 раз.

Созданы фильтры для очистки жидкостей от взвешенных примесей с использованием мембран с нанокристаллической структурой. Основным узлом фильтров являются фильтроэлементы, представляющие собой полые цилиндры из пористого полиэтилена, на внешнюю поверхность которых нанесены пористые покрытия из нанокристаллических нитридов, оксидов, оксинитридов титана, алюминия, циркония. Данные устройства очистки обладают высокими фильтрующими характеристиками, достаточно высокой производительностью по фильтрату, способностью к многократной гидродинамической регенерации без разборки и длительным сроком эксплуатации.

Наноматериалы могут эффективно использоваться для создания различных средств защиты: в качестве компонентов свето– и теплопоглощающих составов; поглотителей электромагнитного излучения, радиационной защиты.

Наноматериалы используются в различных источниках энергии при создании материалов для прямого преобразования энергии; полупроводниковых, эмиссионных, коммутационных материалов; материалов для водородной энергетики.

Использование в топливных элементах нанопорошков ZrO₂, стабилизированных иттрием (высокотемпературные сверхпроводники), и керамики на их основе снижает температуру синтеза этой керамики на 100 – 200 С, что значительно уменьшает энергозатраты при производстве топливных элементов и повышает ресурс работы термического оборудования; позволяет применить принципиально новые технологии изготовления топливных элементов.

В настоящее время разработаны простые методики применения нанопорошков металлов в растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыболовстве и кормопроизводстве в качестве стимуляторов роста.

Наноматериалы всё активнее используются в медицине в качестве имплантантов, протезов и инструментария. Необходимость поиска надёжных материалов для замены повреждённых частей тела человека возрастает во всех цивилизованных странах в связи с увеличением числа пожилых жителей. Современная хирургия и стоматология нуждаются в металлах и сплавах с высокой химической инертностью при сохранении высокой механической прочности. В последнее время в этих целях используются лёгкие и прочные наноструктурные титановые сплавы и чистый титан в качестве эндопротезов суставов, специальных пластины для фиксации травматических участков трубчатых костей, конических винтов для фиксации позвоночника, имплантантов для стоматологических целей.

Весьма перспективно использование в медицине нанокристаллических сплавов алюминия. Высокий уровень физико–механических и эксплуатационных свойств этих материалов позволяет в зависимости от лечебных задач изготавливать из них устройства наружной фиксации и управления положением костей или их фрагментов, несущие конструкции травматологических аппаратов, комплекты унифицированных деталей, собираемых в аппараты различной конфигурации и сложности.

В настоящее время наноматериалы опробованы в производстве лекарственных средств. Ферромагнитные жидкости, содержащие нанопорошки железа и никеля, перспективны для лечения ряда онкологических заболеваний. На основе нанопорошка железа возможно создание лекарств с пролонгированным действием для лечения заболеваний кроветворных органов. Лечебное и профилактическое действие нанопорошка железа по заживлению ран, язв желудка, регенерации седалищного нерва, печени после резекции превосходит эффект препаратов мумиё и эссенциале.

Разработаны противоожоговые повязки с использованием нанопорошка серебра, которые позволяют исключить перевязки во всё время заживления, что существенно сокращает время выздоровления и максимально уменьшает болевые ощущения.

Установлена перспективность использования нанобериллия при изготовлении микросфер–микрокапсул для водородной мишени будущего термоядерного реактора.

Нанопористые матрицы из наноматериалов перспективны для создания лиофобных наносистем, способных преобразовывать энергию за счёт изменения межфазного взаимодействия поверхности раздела матрицы с лиофобной жидкостью.

Использование технологии лиофобных систем перспективно для разработки нового поколения преобразователей энергии (тепловые двигатели, холодильники, нагнетатели давления); аккумуляторов механической и тепловой энергии; демпферов пульсаций давления и механических колебаний; пассивных защитных устройств по температуре и давлению, а также в космической энергетике.

Наиболее широкое применение находят нанотрубки. Они применяются в качестве сверхпрочных нитей, композитных материалов, нановесов, транзисторов, нанопроводов, прозрачных проводящих поверхностей, топливных элементов, для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках, в качестве нанопипеткок, капсул для активных молекул, для хранения металлов и газов.

Оптические свойства нанотрубкок позволяют использовать их при изготовлении дисплеев и светодиодов.

Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических целях.

Поиск по сайту: