2.4.1. Нанотехнологии в машиностроении

Проблему катастроф различных физических объектов и на земле, и в воде, и в воздухе, и в космосе, в основном, связанных с качеством и надежностью машин решают с учетом эволюционного развития структуры материала на всех этапах его жизненного цикла.

Объемное наноструктурирование имеет решающее значение при разработке отличающихся малым весом летательных аппаратов из термически устойчивых материалов с высокой удельной прочностью.Реализация нанотехнологий в авиакосмической отрасли позволит:

● Повысить прочность летательных аппаратов. Сейчас ставится задача довести возможность их совершать до 70-90 тысяч полетов, что требует

повышения прочностных характеристик, которые обеспечивают новые наноматериалы.

● Добиться «живучести» и снижения веса летательных аппаратов (которое обеспечивают в настоящее время композиты). К ним должны присоединиться наноматериалы.

● Переходя на нанотехнологии, можно достигнуть снижения трения.

● Решить задачи борьбы с обледенением и прилипанием к внешней стороне конструкции летательных аппаратов различной «биологической живности» с помощью отслаивающихся чешуек.

● Снизить заметность летательных аппаратов.

Космические аппараты будущего будут уже не просто машинами для перевозки живых существ, но обладать свойствами живых организмов:они смогут обучаться, диагностировать и ремонтировать себя.

Применение нанотехнологии в аэрокосмической технике способно также обеспечить: снижение энергопотребления в 10⁴ раз, снижение вибрации и шума - в 10², повышение быстродействия - в 10⁶, повышение КПД солнечных батарей - в 10 раз, повышение чувствительности датчиков - в 10⁶, повышение времени автономной работы - в 10⁴ раз, повышение надежности - в 10², повышение стойкости к радиации - в 10¹, повышение стойкости к перегрузкам - в 10² раз.

Стратегическими национальными приоритетами РФ, изложенными в утвержденных в 2002 г. Президентом РФ «Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», являются: повышение качества жизни населения, достижение экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечение обороны и безопасности страны.

Одним из реальных направлений достижения этих целей может стать ускоренное развитие нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области и внедрение их в технологический комплекс России.

Развитие направлений науки, техники и технологий, связанных с созданием, исследованиями и использованием объектов с наноразмерными элементами, уже в ближайшие годы приведет к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности – в том числе и в машиностроении.

Новейшие нанотехнологии наряду с компьютерно-информационными технологиями и биотехнологиями являются фундаментом научно-технической революции в 21 веке, сравнимым и даже превосходящим по своим масштабам с преобразованиями в технике и обществе, вызванными крупнейшими научными открытиями 20 века.

В развитых странах осознание ключевой роли, которую уже в недалеком будущем будут играть результаты работ по нанотехнологиям, привело к разработке широкомасштабных программ по их развитию на основе государственной поддержки.

Так, в 2000 г. в США принята приоритетная долгосрочная комплексная программа, названная Национальной нанотехнологической инициативой и рассматриваемая как эффективный инструмент, способный обеспечить лидерство США в первой половине текущего столетия. К настоящему времени бюджетное финансирование этой программы увеличилось по сравнению с 2000 г. в 2,5 раза и достигло в 2003 г. 710,9 млн долл., а на четыре года, начиная с 2005 г., планировали выделить еще 3,7 млрд долл. Аналогичные программы приняты Европейским союзом, Японией, Китаем, Бразилией и рядом других стран.

В России работы по разработке нанотехнологий начаты еще 50 лет назад, но финансируются меньше и ведутся только в рамках отраслевых программ. К настоящему времени назрела необходимость формирования программы общефедерального масштаба с учетом признания важной роли нанотехнологий на самом высоком государственном уровне.

Нанотехнологии могут стать мощным инструментом интеграции технологического комплекса России в международный рынок высоких технологий, надежного обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции.

Разработка и успешное освоение новых технологических возможностей потребует координации деятельности на государственном уровне всех участников нанотехнологических проектов, их всестороннего обеспечения (правового, ресурсного, финансово-экономического, кадрового), активной государственной поддержки отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках.

Формирование и реализация активной государственной политики в области нанотехнологий позволит с высокой эффективностью использовать интеллектуальный и научно-технический потенциал страны в интересах развития науки, производства, здравоохранения, экологии, образования и обеспечения национальной безопасности России.

Использование нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести значительный экономический эффект в машиностроении [1,60]:

●Увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий.

●Широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков.

●Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса. Эти решения могут снизить погрешность обработки с 40 мкм до сотен нанометров при стоимости такого отечественного станка около 12 тыс. долл. при затратах на модернизацию не более 3 тыс. долл. Равные по точности серийные зарубежные станки стоят не менее 300-500 тыс. долл. При этом в модернизации нуждаются не менее 1 млн активно используемых металлорежущих станков из примерно 2,5 млн станков, находящихся на балансе российских предприятий.

В двигателестроении и автомобильной промышленности ‑ за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках [ 31,60,61].

В электронном и электротехническом машиностроении ‑ расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.

В энергетическом машиностроении ‑ наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран).

Кроме того, наноматериалы применяют в тепловыделяющих и нейтроно-поглощающих элементах ядерных реакторов; с помощью нанодатчиков обеспечивают охрану окружающей среды при хранении и переработке отработавшего ядерного топлива и мониторинга всех технологических процедур для управления качеством сборки и эксплуатации ядерных систем; нанофильтры используют для разделения сред в производстве и переработке ядерного топлива.

Исследования, проведенные специалистами фирмы «ТГЕ» — первой российской фирмы, разработавшей и освоившей выпуск электрохромных окон, — показали, что их использование существенно снижает утомляемость операторов ПК и почти на 40% уменьшает затраты на кондиционирование. Разработаны электрохромные очки, которые при изменении внешней освещенности поддерживают постоянный уровень освещённости глаз. Очки предназначены для водителей. Во время испытаний водитель ехал в солнечный день по дороге, обсаженной деревьями. Каждый, кому приходилось путешествовать по таким дорогам, знает, как утомляет и раздражает постоянное мельканье солнечных пятен. По отзывам испытателя, преимущества электро-хромных очков он оценил, лишь когда их снял — очки практически полностью нивелировали разницу в освещённости солнечных и теневых участков.

Однако использование силикатных стекол существенно ограничивает диапазон применения электрохромного остекления. Большой вес (минимальная толщина силикатного стекла 5—9 мм) не позволяет использовать его для остекления автотранспорта, а высокая хрупкость стекла может повредить глаза водителя при аварии. Кроме того, срок службы электрохромного остекления сейчас ограничен тремя — пятью годами.

Специалисты ВИАМа предложили использовать для напыления электро­проводящего слоя прозрачную полиэтилентерефталатную пленку. В результате 10-летних исследований разработана технология получения прозрачных электродов на гибкой полимерной матрице. Можно с уверенностью сказать, что специалисты ВИАМа изготовили лучшие в мире по соотношению светопропускание проводимость пленочные электроды. Использование ионного напыления сделало эти электроды устойчивыми к электрохимической коррозии.

В настоящее время в институте разрабатывают гибкие электрохромные устройства для остекления летательных аппаратов, автомобилей, яхт. По сравнению с силикатными стеклами эти устройства будут в 3-8 раз легче при полном сохранении своих функциональных свойств.

Данные разработки с минимальной модификацией можно использовать и для создания маскировочных покрытий, которые по сигналу оператора изменяют свой цвет. Появляется возможность подстраивать коэффициент отражения покрытия под коэффициент отражения подстилающего фона и размывать контуры маскируемого объекта [18]

Полимеры для авиации и не только. Организованный специально для разработки и испытаний авиационных материалов Вероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ) никогда не ограничивался только этой работой. Созданные в институте функциональные материалы находят применение во многих отраслях техники. Большой обьем работ в ВИАМе приходится на неметаллические и полимерные материалы. Здесь была разработана не имеющая аналогов в мире палубная эмаль холодной сушки КО-5189 для авианосцев. Состав на основе кремний-органических соединений, синтезированных в самом институте, защищает от эрозии теплозащитные плиты полетной палубы крейсера и не разрушается струей выхлопных газов двигателей самолетов вертикального взлета. С 2004 года производство эмали КО-5189 возобновлено, и ею окрашена, например, палуба тяжёлого авианесущего крейсера «Адмирал Кузнецов»(рис.2.5) [18,31,57].

Рис.2.5.Палуба авианесущего крейсера «Адмирал Кузнецов» надежно

защищена от эрозии эмалью на основе кремнийорганических соединений

В производстве лаков и красок (ЛКП) хорошие результаты дает применение нанотехнологий. Использование наночастиц различной природы позволяет целенаправленно модифицировать материалы и получать новые

полезные свойства ЛКП. Так, например, после введения во фторполиуретано-

вый лак всего лишь 0,05% углеродных нанотрубок минимальное значение прочности на отрыв превысило максимальное значение прочности лака без наполнения наночастицами. Исследования адгезионных свойств таких покрытий проведены в ВИАМе совместно с Институтом прикладной химической физики РАН (Черноголовка).

Введение фуллерена С₆₀ с привитыми изоцианатными группами во фторполимерную композицию заметно сократило время высыхания краски. Кроме того, покрытия обеспечивают заданные спектральные характеристики и высокую атмосферостойкость (до 20 лет), стойкость по отношению к маслам и топливу. Новые материалы приобрели устойчивость к биоповреждениям. Эмали (ВЭ-69 и ВЭ-69К.) практически по всем показателям в 1,5—2 раза превосходят аналогичные отечественные и импортные полиуретановые эмали.

Работы в интересах авиационной промышленности, включая заказы военного ведомства, чрезвычайно дороги и трудоемки. Тем важнее сделать их результаты доступными для гражданских отраслей промышленности. При работе с весьма дорогими дискретными волокнами для специальных покрытий неизбежно остаются отходы. Исследования показали, что их можно использовать в качестве упрочняющих элементов и в покрытиях бытового назначения. Водно-дисперсионную краску с повышенной эластичностью, армированную такими волокнами, можно рекомендовать для ремонта фасадов зданий. Эмаль не содержит растворителей, не меняет структуру и свойства под воздействием отрицательных температур, экологически безопасна, срок ее хранения практически не ограничен, а цена сопоставима с ценами на обычные эмали. Мало того, образующееся покрытие относится к трудносгорающим и слабодымящим (остаточное горение у него полностью отсутствует).