Применение физико-химических свойств наноструктурных материалов в науке и технике

Применение наноматериалов в промышленности. Разнообразие принципиально новых свойств наноструктурных материалов 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 материалов в качестве конструкционных материалов является изготовление высокопрочных резьбовых изделий из титана и его сплавов, которые широко используются в авиа– и автомобилестроении. Формирование наноструктуры приводит к повышению долговечности изделий в 1,5 раза, кроме того, уменьшается трудоёмкость изготовления резьбы.

Алюминиевые наноразмерные сплавы используются для получения лёгких изделий сложной формы в режиме высокоскоростного сверхпластического формообразования. При этом достигается полное заполнение гравюры штампа, что обеспечивает качественное формообразование, и значительное снижение удельного усилия штамповки. Этим методом получены поршни сложной формы, которые перспективны для использования в малогабаритных двигателях внутреннего сгорания. Применение в качестве исходного наноматериала позволило снизить температуру формообразования до 350°С. Это на 100 °С меньше температуры формообразования литейных сплавов, что обусловило сокращение энергозатрат и повышение производительности за счёт сокращения времени нагрева и деформации.

Керамические материалы, получаемые компактированием наноструктурных легированных 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.

В начало

 

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.

Одним из способов улучшения служебных свойств масел является введение в них различных присадок. К присадкам относят вещества, способные растворяться в масле и изменяющие его физико–химические свойства. Нерастворимые материалы, вводимые в состав масла в концентрациях, не превышающих несколько процентов, реально изменить объёмные свойства масел не могут. Но их наличие существенно изменяет гидродинамическую и тепловую обстановку в зоне узла трения скоростных нагруженных машин. Особенно велик эффект при введении в состав смазочного материала веществ в наносостоянии. Например, введение в смазки наноразмерного алмаза снижает коэффициент трения в шарикоподшипнике в 10 раз при одновременном увеличении предельной нагрузки в 6 раз.

Нанопорошки добавляют в качестве присадок в абразивные суспензии и пасты для притирочно–доводочных работ. Введение нанопорошков в состав масел и паст в процессе приработки пар трения позволяет заполнить впадины, микротрещины частицами дисперсной фазы. Это способствует выравниванию трущихся поверхностей, залечиванию дефектов, а также разделяет поверхности трения высокодисперсными частицами. Мощные сольватные оболочки последних препятствуют молекулярному схватыванию между трущимися поверхностями.

Пасты из наноразмерных алмаза с размером частиц до 10 нм эффективны при использовании в качестве тонкого полирующего материала для финишного полирования по 13 – 14 классам шероховатости: при доводочных операциях в процессе изготовления особо точных деталей из различных материалов и сплавов; при полировке ювелирных изделий; при изготовлении оптики, лазеров, стёкол и зеркал специального назначения; при полировке полупроводниковых пластин кремния и германия.

Нанопорошки, содержащие ферромагнитную и абразивную составляющие, используются в качестве рабочих материалов в процессах электромагнитной абразивной обработки. В качестве магнитоабразивных систем прошли испытания наноразмерные порошковые композиционные материалы Fe-TiC, Fe-Co-TiC.

В начало

 

На основе нанометериалов 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 нанопорошков железа, никеля, алмазосодержащей шихты.

Смазочно–охлаждающие технологические жидкости для обработки металлов резанием позволяют экранировать контактирующие поверхности, способствуют появлению на ювенильных поверхностях оксидных и прочных маслянистых плёнок, снижают коэффициент трения, уменьшают силы резания на 10 – 20 % и износ инструмента в 1,5 – 2,5 раза.

Эффективно использование наноматериалов в качестве объёмно–модифицирующих добавок. Установлено, что небольшие добавки (до 0,01 % объём.) нанопорошков тугоплавких соединений положительно влияют на качество отливок из стали и сплавов, а также качество полунепрерывных слитков из алюминиевых сплавов. В качестве модифицирующих добавок используются нанопорошки Al₂O₃, SiC, TiN, TiCN, WC и др. В результате повышается износостойкость, прочность, трещиностойкость, предел текучести и прочность на разрыв твёрдых сплавов.

Проведены эксперименты по спеканию промышленных порошков с добавлением в качестве активаторов спекания нанопорошков алюминия, никеля, железа, нитрида алюминия и др. Добавка 0,5 – 5 %масс. НМ к промышленным смесям позволяет снизить температуру спекания на 400 – 800 °С, сократить время спекания в несколько раз. При этом повышается твёрдость и ударная вязкость спеченных изделий. Экономическая эффективность использования наноматериалов объясняется тем, что количество этого материала составляет доли процента, а разработанная технология изготовления твёрдых сплавов практически не отличается от традиционной.

Добавки наноматериалов в качестве гидродинамических пластификаторов позволяют получать высокоплотные изделия при формировании, усиливают спекание и упорядочивают синтез соединений. Это позволяет снизить температуру обжига на 300 – 400^о С, существенно уменьшает размер пор в изделиях и повышает, тем самым, шлакоустойчивость огнеупоров.

 

В начало

Нанопорошки металлов 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. В частности, при диффузионной сварке меди и Ст35 в вакууме и использовании в качестве прослоек толщиной порядка 0,5 мм нанопорошков меди и никеля удалось существенно снизить температуру процесса с 1173 К до 673 – 733 К для меди и с 1373 К до 973 К для Ст35.

Нанопорошки металлов добавляют в композиционные материалы, содержащие пластмассы и полимеры в качестве модификаторов, что позволяет изготавливать пластиковые магниты, электропроводную резину, токопроводящие краски и клей и другие электропроводящие композиционные материалы. На основе наноразмерного порошка Ni получили эластичный слоистый электропроводящий материал, содержащий Ni – 200 частей по массе, каучук – 100 частей по массе, имеющий низкое стабильное и хорошо воспроизводимое при многократном сжатии электрическое сопротивление проводящих слоев. Материал может быть использован для коммутирования жидкокристаллических и катодолюминисцентных индикаторов, светодиодов и интегральных микросхем к печатным платам.

Нанопорошки металлов могут быть использованы как добавки при создании полимерных материалов с контролируемым уровнем горючести. Установлено, что механизм разложения полимеров зависит от содержания наноразмерных металлов: при концентрациях порядка 0,005 % металл ускоряет его термоокисление, а при содержании металла 1 % данный процесс замедляется. В качестве добавок опробованы нанопорошки Al, Cu, Fe.

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

Отработаны технологии получения мелкодисперсных покрытий Pd, Ir, Rh, Co, Ni, Ag, Cu на керамических, кварцевых, металлических, пластмассовых, композиционных изделиях любой сложности формы. Полученные покрытия более плотные, более коррозионностойкие, лучше паяются по сравнению с гальваническими порошками или порошками, полученными вакуумным напылением, однородны по толщине, сохраняются на деталях сложного профиля.

В начало

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 окрытий 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.

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

В качестве материала для магнитной записи используется, в первую очередь, порошок g-Fe₂O₃. Повышение плотности записи обеспечивается при использовании нанопорошка оксида железа, состоящего из игольчатых частиц с размером длинной оси 300 – 500 нм и короткой оси 50 – 70 нм.

Использование нанопорошков ZnO при изготовлении электроконтактов для низковольтной аппаратуры обеспечивает электроэрозионную стойкость, низкую склонность к свариванию и низкое контактное сопротивление, существенно упрощает технологию изготовления, уменьшает содержание серебра в конечном изделии, повышает экологические показатели при изготовлении и эксплуатации вследствие замены токсичного CdO.

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 g–, h–, d–, q–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.

Нанопорошок алюминия является перспективным катализатором для процессов тонкого органического синтеза в производстве полупродуктов на основе ароматических и гетероциклических соединений.

В начало

Важным направлением катализа является очистка промышленных отходящих газов. При введении непосредственно в топочное устройство вместе с топливом микроскопических количеств каталитически активных нано- порошков простых и сложных оксидов переходных и редкоземельных металлов способствует эффективному дожиганию сажи в отходящих газах технологической печи, благодаря малым размерам и высокой удельной поверхности нанопорошка,

Катализаторы глубокого окисления, содержащие наноразмерные порошки оксидов неблагородных металлов (состав Cu:Cr:Co:Ni:Ce – 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.

Ещё одно направление использования наноразмерных катализаторов – переработка промышленных отходов. Например, дорогостоящая глубокая переработка вязких отходов нефтяной промышленности до получения бензинов и других углеводородов более эффективна при использовании в качестве каталитически активной добавки в исходной смеси 1 % нанопорошка железа. Железо образует оксид железа III, который является эффективным катализатором для обезвреживания таких соединений как СО, NO_x, SO₂.

Высокая активность наноматериалов позволяет применять их в качестве высокоэффективных адсорбентов для решения широкого круга технологических и экологических задач. Наноразмерные оксиды используется для тонкой комплексной доочистки питьевой воды от тяжёлых металлов и органических загрязнений, позволяя извлекать из водных сред широкий спектр примесей неорганического и органического происхождения; очистки стоков гальванических производств, предприятий добычи, транспорта и переработки нефти и нефтепродуктов. Механизм воздействия нанопорошка адсорбентов на высококонцентрированные эмульсии нефтепродуктов заключается в способности оксидных наноматериалов создавать электрический потенциал на границе раздела фаз адсорбент–раствор, что приводит к быстрой коагуляции микроэмульсий нефтепродуктов в крупные фрагменты и осаждению их на поверхности адсорбента.

В начало

Различие в скоростях адсорбции отдельных ионов позволяет использовать нанопорошки адсорбентов для извлечения и селективного выделения отдельных ценных компонентов из буровых вод и водных промышленных отходов.

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 наноразмерных 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.

Микропористые материалы состава Ni₃Al, NiAl, Ti₃Al. могут найти эффективное применение при изготовлении испарителей, сепараторов и фильтров для систем терморегулирования. Использование нанопорошков металлов позволяет получать микропористые материалы с полностью открытой пористостью величиной 35 – 70 %.

Наноматериалы могут эффективно использоваться для создания различных средств защиты: в качестве компонентов свето– и теплопоглощающих составов; поглотителей электромагнитного излучения, радиационной защиты. Опытные данные свидетельствуют о возможности практического использования эффектов аномального ослабления рентгеновского и гамма–излучений дисперсными системами для создания средств радиационной защиты медицинского и промышленного назначения.

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^оС. Это значительно уменьшает энергозатраты при производстве топливных элементов и повышает ресурс работы термического оборудования; позволяет применить принципиально новые технологии изготовления топливных элементов, совмещающие припекание анода и катода в едином термическом цикле спекания твёрдого электролита; в 1,5 – 2 раза снижает количество топливных элементов в энергоустановке или при прежнем количестве элементов позволяет снизить рабочую температуру до 800 °С.

В начало