Наноматериалы и их применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Филиал ФГБОУ ВО "Ростовский государственный университет путей сообщения" в г. Минеральные Воды

НАНОМАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Горобинский М.А.

г. Минеральные Воды, Россия

В рамках данной работы будут рассмотрены наноматериалы как вид современных конструкционных материалов и диапазон их использования. Основой для обзора являются научные труды и изыскания молодых ученых моей "альма-матер" - РГУПС, а также других современных научных площадок.

Одной из важнейших задач современного этапа развития отечественного машиностроения в том числе вагоностроения, является существенное повышение качества, надежности и долговечности деталей, узлов и механизмов. Эта проблема может решаться только на основе комплексного подхода, включающего как создание новых материалов, так и разработка и освоение эффективных технологий, упрочняющих металлические материалы. Одно из интереснейших и перспективных направлений в науке о полимерах и материаловедении последних лет - разработка принципов получения полимерных нанокомпозитов.

Впервые концепция наноматериалов сформулирована Г. Глейтером (1), который ввел в научный обиход и сам термин (сначала как нанокристаллические материалы, потом наноструктурные, а также нанофазные, нанокомпозитные и т.д.). Решающая роль многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах как основе для существенного изменения свойств твердых тел какпутем модификации структуры и электронного строения, так и в результате новых возможностей легированияэлементами независимо от их химической природыи атомных размеров, -теперь не вызывает сомнения(1) . Наноматериалы - материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. Полимерные нанокомпозиты - это полимеры или сополимеры, включающие наночастицы. Согласно терминологии, принятой IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии), наночастицы - это частицы, размеры которых не превышают 100 нанометров. Наночастицу иногда называют нанообъектом, который рассматривается как конгломерат или агрегатная частица, состоящая примерно из тысячи атомов и являющаяся частью объемного материала. Известны следующие нано-объекты:

- Аэрогель;

- Аэрографит - самый твёрдый материал;

- Нанокристаллы;

- Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие - алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёх координированных атомов углерода;

- Углеродные нанотрубки - протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой;

- Графен - монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Носители зарядов в графене обладают высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему с решением проблемы формирования запрещённой зоны в этом полуметалле графен оказывается перспективным материалом, заменяющим кремний в интегральных микросхемах;

- Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса;

- Наноаккумуляторы - в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут.

За прошедшие несколько лет само содержание понятия наноматериалы и идеи наноструктурного материаловедения наноматериалы активно развиваются. Кроме традиционных консолидированных наноматериалов, к этим объектам относят также нанополупроводники, нанополимеры, нанопористые материалы, многочисленные углеродные наноструктуры, нанобиоматериалы, супрамолекулярные структуры и катализаторы (1). В настоящее время разработаны принципы создания принципиально новых металлополимерных материалов триботехнического назначения, в которых основную нагрузку берет на себя металл (бронза, сталь, латунь,), а высокие антифрикционные характеристики обеспечиваются наномодифицированным твердым смазочным материалом, расположенным в пазах, углублениях, отверстиях перфорации. Созданы смазочные композиции c нанокластерными добавками для тяжелонагруженных-трибосопряжений (2).

Одна из последних разработок в РГУПСе - создание на основе нанотехнологий антифрикционных многослойных покрытий, в которых основную нагрузку берет на себя металл силового каркаса, а высокие антифрикционные характеристики обеспечиваются наноструктурным покрытием. Такие покрытия могут быть применены на предприятиях транспорта, тяжелого и легкого машиностроения, химической и нефтеперерабатывающей промышленности (2). Использование полимеров в поглощающих аппаратах позволяет улучшить их эксплуатационные

характеристики, повысить энергоемкость и надежность, обеспечить сохранение работоспособности амортизаторов в широком температурном интервале (3). На сегодняшний день наноструктурные материалы на основе минералов подкласса филлосиликатов находят все более широкое применение во многих отраслях промышленности. Филлосиликаты - превосходные наполнители, катализаторы и основными компоненты многих технически важных систем и материалов.

Проведенные на основе патентной информации исследования технического уровня и конкурентоспособности создаваемой технологии получения филлосиликатных функциональных наноматериалов позволили определить тенденции и перспективы развития выбранного направления разработок, оценить их технический уровень, осуществить отбор наиболее конкурентоспособных результатов интеллектуальной деятельности (РИД). Результаты анализа РИД показывают, что слоистые силикатные минералы находят широкое применение в химической, нефтегазовой, автомобильной и лакокрасочной промышленности, а также строительстве и машиностроении. Существует ряд научно-технических разработок, направленных на улучшение эксплуатационных характеристик продукции путем использования для ее производства чистых и модифицированных филлосиликатов (природных и синтетических).

Актуальность и востребованность этих материалов оправдана доступностью их почти в любых районах нашей страны и за ее пределами, относительно низкой стоимостью, простотой применения, специфическими свойствами, возможностью их широкой вариации. Однако в большинстве случае возможности их практического использования в естественном виде ограничены. В связи с этим необходимым является создание и совершенствование методов активирования и модифицирования этих минералов с целью улучшения комплекса их физико-химических и сорбционных свойств. наноматериал графен полимерный микросхема

Остаются недостаточно изученными механизмы их модификации, а также технологические аспекты получения и обработки функциональных материалов на их основе. В частности, динамика интеркалированного полимера в ограниченном межпакетном пространстве филлосиликатов и механизм полимерной интеркаляции, нанокомпозиты "эпоксидные смолы-- монтмориллонит", ультрадисперсные среды - получение нанопорошков методом химического диспергирования ворганомодифицированных минералах являются недостаточно изученными.

Разработка принципиально новых решений, обеспечивающих достижение в исследуемых филлосиликатных функциональных наноматериалах технико-экономических показателей, превосходящих показатели лучших отечественных и зарубежных аналогов, возможна путем модификации их структуры, направленного воздействия на сорбционные и другие физические характеристики (4). Это в основном результаты проявления размерных эффектов, и идеи еще ожидают своего полного практического воплощения (1). Созданы справочники наноматериалов и систематизируются инновационные разработки на лучших современных научных площадках. По американским прогнозам, мировой рынок нанотехнологической продукции через 10-15 лет составит около 1 трлн долл.; доля наноматериалов в этом весьма значительна (около 340 млрд) . Итак, обоснование работоспособности наноматериалов уже не важнейшая проблема наноструктурного материаловедения, а решаемая.

В этой связи углубление наших знаний в области размерных эффектов и термической стабильности (1), т. е. вопросов, являющихся общими практически для всех типов наноматериалов, актуально и востребовано. Более того, затрагиваемые фундаментальные вопросы имеют общий характер и будут представлять интерес для металлургической промышленности, связанной с разработкой других сплавов, например, сталей, по-прежнему широко используемых в вагоностроении.

Список литературы

1. УДК 620.18 Наноматериалы: концепция и современные проблемы, Андриевский Р.А.[Электронный ресурс] http://www.chem.msu.su/rus/jvho/20025/50.pdf дата обращения 18.12.2016. РОСЖЕЛДОР, ФГБОУ ВПО РГУПС, Научно - техническая библиотека.

2. Колесников Владимир Иванович. Библиография. [Электронный ресурс] lib.rgups.ru/biblioteka/Kolesnikov_ykazatel.rtf (дата обращения 17.12.2016) [Электронный ресурс] http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/32640#.D0.9D.D0.B0.D0.BD.D0.BE.D0.BC.D0.B0.D1.82.D0.B5.D1.80.D0.B8.D0.B0.D0.BB.D1.8B дата обращения 18.12.2016

3. [Электронный ресурс] phizika_o_hod_vypolneniya_proekta_27_11_2014.docx http://www.rgups.ru/site/assets/files/39146/phizika_o_hod_vypolneniya_proekta_27_ 11_2014.docx (дата обращения 18.12.2016).

4. [Электронный ресурс] http://vniizht.ru/files/34-36.pdf дата обращения 18.12.2016.

5. [Электронный ресурс] http://rzd-expo.ru/ дата обращения 18.12.2016

6. [Электронный ресурс] http://allgosts.ru/45/060/gost_33683-2015 дата обращения 18.12.2016.

7. [Электронный ресурс] http://pda.fedpress.ru/magazine/aprel-mai-2015/vagonyiz-kosmosa-dlya-zemnykh-zadach дата обращения 18.12.2016.

8. [Электронный ресурс] http://kommersant.ru/doc/2797657 дата обращения 18.12.2016

9. Масуо Хосокава, Кийоши Ноги, Макио Наито. Справочник по технологии нано-частиц. М. Научный мир. 2013г., 769с.

Размещено на Allbest.ru