Использование нанотехнологий в машиностроении

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Омский государственный университет путей сообщения»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

Кафедра «Технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава»

Реферат по дисциплине: «Нанотехнологии в машиностроении»

Тема: «Использование нанотехнологий в машиностроении»

Студентка гр. 19М

Изместьева Е.О.

Проверил

д.т.н., доцент, профессор кафедры

ТТМ и РПС

Рауба А.А.

Омск 2019

Определение нанотехнологии

Нанотехнология -- совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба. [1]

Нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям. [3]

Область применения нанотехнологии

Нанотехнологии обычно делят на три направления:

- изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов;

- создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу;

- непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно.

Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипировние, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества.

В настоящее время наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов.

Общемировые затраты на нанотехнологические проекты превышают $9 млрд. в год. На долю США приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные игроки на этом поле - Европейский Союз и Япония. Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре, Бразилии и Тайване. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 2 млн. человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов, составит, как минимум, несколько сотен миллиардов долларов и, возможно, приблизится к $1 трлн.

В общей сложности американская промышленность и индустрия других развитых стран сейчас применяют нанотехнологии в процессе производства, как минимум, 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования.[4]

Использование нанотехнологий в машиностроении

Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами -- это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.

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, нельзя решить без учета эволюционного развития структуры материала на всех этапах его жизненного цикла. Понимание термина «технологический мониторинг» в контексте новой метрологии объемного наноструктурирования позволит решать задачи по обеспечению качества и повышенного ресурса оборудования, устранить необходимость завышенного коэффициента запаса прочности, что повышает конкурентоспособность.

Объемное наноструктурирование имеет решающее значение при разработке отличающихся малым весом летательных аппаратов из термически устойчивых материалов с высокой удельной прочностью.

Например:

Реализация нанотехнологий в авиакосмической отрасли позволит:

1. 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.

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

3. Переходя на нанотехнологии, можно достигнуть снижения трения.

4. Решить задачи борьбы с обледенением и прилипанием к внешней стороне конструкции летательных аппаратов различной «биологической живности» с помощью отслаивающихся чешуек.[5]

Внедрение наноматериалов, обладающих принципиально новыми свойствами, в изделия ракетно-космической техники сопряжено с необходимостью всестороннего изучения их поведения в экстремальных условиях космоса.

Космические аппараты будущего будут уже не просто машинами для перевозки живых существ, но живыми организмами. 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 101 , 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.

Основные направления развития:

1. Увеличение удельных (по отношению к массе) размеров конструкции для изготовления антенн диаметром более 25-50 м, солнечных батарей и т.п.

2. Повышение в 10-100 раз удельной прочности материалов для новых систем запуска космических аппаратов, обитаемых космических сооружений и др;

3. Расширение функциональных возможностей устройств, при минимазации массы и потребляемой энергии для создания систем квантовых сенсеров, биохимических «лабораторий» на чипе, малых космических аппаратов

4. Повышение уровня удельного информационного обеспечения и уровня «интеллекта» систем комического аппарата для организации автономного медицинского обслуживания экипажей и создания комплексных развивающихся космических систем.[2]

Внедрение нанотехнологий в автомобильную промышленность позволит сделать автомобили:

1. Доступными (нанотехнологические методы производства позволяют создавать товары и услуги с низкой себестоимостью; в автомобилях будущего основной составляющей цены будет являться «брэнд»);

2. Комфортными (более совершенная работа механических частей, улучшенная шумо- и виброизоляция на основе наноструктурированных материалов, эргономичный салон);

3. Эффективными (повышения средней скорости движения автомобилей, повышение КПД использования энергии, необходимой для перевозки людей и грузов);

4. Интеллектуальными (широкое внедрение информационных систем во все узлы и компоненты автомобилей, принятие автомобилем все больших функций водителя на себя);

5. Безопасными для человека и окружающей среды (новые, экологически чистые силовые установки, в том числе на топливных элементах, качественно новый уровень пассивной и активной безопасности для обитателей салона и пешеходов, широкое использование в конструкции авто биодеградируемых материалов, а с созданием дисассемблеров - возможность 100% утилизации устаревших автомобилей).

Кроме того, запатентованы новые способы и ресурсосберегающие нанотехнологии, в том числе повышения долговечности на этапе эксплуатации, упрочнения твердых сплавов, нержавеющих, конструкционных и инструментальных марок стали, кузнечной сварки многослойных композиций и производства цельнокованого нержавеющего дамаска, квазиаморфного модифицирования карбидами и оксидами кремния. При этом ресурс изделий различного назначения, изготовленных по новой методологии для отраслей машиностроения, повышается от 200 до 500%.

В целом же, разработка и применение нанотехнологий в области машиностроения позволят достичь следующих основных целей:

1. Изменение структуры валового внутреннего продукта в сторону увеличения доли наукоемкой продукции.

2. Повышение эффективности производства.

3. Переориентация российского экспорта с, в основном, сырьевых ресурсов на конечную высокотехнологичную продукцию и услуги путем внедрения наноматериалов и нанотехнологий в технологические процессы российских предприятий.

4. Создание новых рабочих мест для высококвалифицированного персонала инновационных предприятии, создающих продукцию с использованием нанотехнологий.

5. Развитие фундаментальных представлений о новых явлениях, структуре и свойствах наноматериалов.

6. Формирование научного сообщества, подготовка и переподготовка кадров, нацеленных на решение научных, технологических и производственных проблем нанотехнологий, создание наноматериалов и наносистемной техники, с достижением на этой основе мирового уровня в фундаментальной и прикладной науках.

Эффективное достижение намеченных целей потребует системного подхода к решению целого ряда взаимоувязанных задач, основными из которых являются:

1. Координация работ в области создания и применения нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники;

2. Создание научно-технической и организационно-финансовой базы, позволяющей сохранить и развивать имеющийся в России приоритетный задел в исследованиях и применении нанотехнологий; развитие бюджетных и внебюджетных фондов, поощряющих и развивающих исследования в области наноматериалов и нанотехнологий и стимулирующих вклады инвесторов;

3. Формирование инфраструктуры для организации эффективных фундаментальных исследований, поиска возможных применений их результатов, развития новых нанотехнологий и их быстрой коммерциализации;

4. Поддержка межотраслевого сотрудничества в области создания наноматериалов и развития нанотехнологий;

5. Обеспечение заинтересованности в решении научных, технологических и производственных проблем развития нанотехнологий и наноматериалов путем либерализации налоговой политики, оптимизации финансовой политики; создание системы защиты интеллектуальной собственности;

6. Разработка и внедрение новых подходов к обучению специалистов в области нанотехнологий.[5]

атом электронная схема наномашина

Библиографический список

1.Жабрев В.А., Марголин В.И., Павельев В.С./Учебник/Введение в нанотехнологию. С.: Изд-во «СГАУ», 2007

2.Новиков Л.С., Воронина Е.Н./Учебник/Перспективы применения наноматериалов в космической технике. М.: Изд-во «МГУ», 2008

3.Электронный ресурс: «Применение нанотехнологий в различных отраслях» - https://studfiles.net/preview/3675749/page:2/

4.Электронный ресурс: «Нанотехнологии и наноматериалы» - https://revolution.allbest.ru/manufacture/00606731_0.html

Размещено на Allbest.ru