Возможности применения нанотехнологий и наноматериалов на предприятиях технического сервиса

1. Современное состояние предприятий технического сервиса. Пути развития

2. Применение нанотехнологий при изготовлении, восстановлении и упрочнении деталей машин

1. Современное состояние предприятий технического сервиса. Пути развития Среди производственных комплексов, составляющих структуру подотраслей различных производств, технический сервис (ТС) занимает одно из ведущих мест. Состояние его технической базы и эффективное функционирование являются важными предпосылками экономического и социального возрождения страны в предстоящее десятилетие и долгосрочной перспективе.

В рыночных условиях при многообразии форм собственности и хозяйствования, разгосударствлении предприятий, развале планово-предупредительной системы ремонта и обслуживания техники, ремонтно-обслуживающих баз, моральном и физическом старении парка машин расширяются функции, сущность и содержание технического сервиса. ТС необходимо рассматривать как процесс обеспечения товаропроизводителей машинами, оборудованием и приборами, а также эффективного использования их в исправном состоянии в продолжение всего периода эксплуатации, что является необходимым условием увеличения массы прибыли и повышения рентабельности производства.

Материальная основа технического сервиса — ремонтно-обслуживающая база — состоит из совокупности специализированных региональных ремонтных заводов, районных ремонтно-технических предприятий и соответствующих ремонтно-обслуживающих производств (цехов) владельцев техники — предприятий.

В современных условиях функциями технического сервиса являются следующие позиции:

выполнение ремонтно-обслуживающих операций;

своевременное обеспечение потребителей ремонтно-техническим оборудованием, запасными частями и материалами, обменными узлами;

прокат, продажа и организация использования техники;

обеспечение качества и надежности новой, отремонтированной техники;

предпродажная подготовка, доставка, сборка, монтаж и наладка технических средств;

обучение обслуживающего персонала;

мониторинг потребностей в ресурсах и услугах различных категорий потребителей;

осуществление рекламной деятельности;

анализ статистической информации о технико-экономических параметрах техники и уровнях цен.

Однако выполнение данных функций затруднено целым рядом объективных обстоятельств. Действующие самостоятельно в административных районах снабженческие, ремонтные, монтажные, транспортные, энергетические и другие предприятия разобщены, удалены от потребителей на значительные расстояния и не имеют объективных представлений о современных тенденциях развития служб технического сервиса. Основная же причина всех этих негативных явлений кроется в низкой платежеспособности товаропроизводителя — основного потребителя услуг службы технического сервиса. Невозможность приобретения им новых машин и оборудования, финансовая несостоятельность для оплаты услуг ремонтно-обслуживающих работ, выполняемых специализированными ремонтными предприятиями, вынуждает последних менять профиль своей деятельности, искать сферы, не свойственные основному предназначению, что сказывается на качестве выполняемых работ. Мастерские, машинные дворы, пункты и станции технического обслуживания в настоящее время функционируют преимущественно как арендные или приватизированные предприятия, на условиях малого предпринимательства играют роль независимых дилеров, предоставляющих потребителям свободу выбора услуг.

В этих условиях назрела необходимость реформирования предприятий ТС, которое целесообразно осуществлять по следующим направлениям:

1. Предприятие (владелец машин) в зависимости от размеров и состава парка машин, интенсивности использования их по назначению, финансовых возможностей, наличия обслуживающих предприятий и других факторов должно определять состав и структуру объектов своего ремонтно-обслуживающего производства, а также номенклатуру и объем услуг, заказываемых на ремонтно-обслуживающих предприятиях.

2. В каждом административном районе должны функционировать в необходимом количестве ремонтные, ремонтно-обслуживающие, снабженческие, автотранспортные, производственно-технологические, мелиоративные, строительно-монтажно-наладочные, торговые и другие производства (или структурные подразделения), обеспечивающие потребителям оперативность, качество и экономичность услуг.

3. Специализированные ремонтные предприятия областного, краевого, республиканского уровней должны развивать:

модернизацию и восстановительный ремонт техники, отработавшей амортизационный срок, как обязательный элемент в системе ремонтно-обслуживающих воздействий;

ремонт узлов и агрегатов машин, восстановление изношенных и изготовление новых деталей, узлов, агрегатов и машин регионального машиностроения в сотрудничестве с заводами — изготовителями изделий;

дилерскую деятельность по ремонтируемым и изготовляемым изделиям; производство промышленной и иной продукции и услуг, пользующихся спросом.

4. На ремонтно-обслуживающих предприятиях и производствах всех уровней необходимо широко применять прогрессивные методы, технологии и приемы организации производственных процессов, экологически чистые, безопасные и экономически целесообразные процессы основного и обслуживающего производств с использованием инструментального диагностирования. Специализация предприятий, цехов, рабочих участков позволяет значительно повысить производительность труда.

5. Сформировать систему рыночной инфраструктуры технического сервиса, включающую в себя сеть ремонтно-обслуживающих предприятий, районных РТП, специализированных мастерских и ремонтных заводов регионального уровня.

6. Повысить надежность отремонтированной техники за счет качества ремонта узлов и агрегатов с использованием новых упрочняющих технологий восстановления деталей, обеспечивающих повышение ресурса отремонтированных узлов и агрегатов до 100%-ного уровня от ресурса новых.

7. Организовать на ремонтных предприятиях участки по восстановлению и упрочнению изношенных деталей на основе новых ресурсосберегающих технологических процессов [1, 8…12].

Обеспечение высокой эффективности использования техники предопределяет необходимость своевременного, по мере ухудшения её технико-экономических характеристик, применения комплекса ремонтно-обслуживающих воздействий, поддерживающих или восстанавливающих работоспособность машин и оборудования, который достигает своей цели при обязательном условии: воздействия должны осуществляться с применением современных технологий и прогрессивного ремонтно-технологического оборудования, поэтому актуальной задачей реформирования предприятий ТС является внедрение инновационных ресурсосберегающих технологий ремонта и обслуживания техники, к числу которых принадлежат нанотехнологии. Это позволит преодолеть существующий кризис и вывести технический сервис на качественно новый уровень.

2. Применение нанотехнологий при изготовлении, восстановлении и упрочнении деталей машин Префикс «нано» происходит от греческого слова «нбнпу», которое переводится как «карлик» и обозначает уменьшение размера или времени в 10^-9 раз. Один нанометр (нм) — одна миллиардная доля метра.

Круг объектов, объединенных понятием «нано», чрезвычайно широк. Он включает в себя, как правило, многочастичные системы, среди которых выделяют следующие: нанокристаллы, нанофазы, наноструктуры, наносистемы, нанокомпозиты и ряд других. Основу всех названных объектов составляют индивидуальные изолированные наночастицы. В частности, наноструктура описывается как совокупность наночастиц определенного размера, наделенная функциональными связями; нанокомпозиты — как объекты, где наночастицы упакованы вместе в макроскопический образец, в котором межчастичные взаимодействия становятся сильными и маскируют свойства изолированных частиц.

Имеется много конкретных объяснений, почему наношкала и нанообъекты стали важны не только в теоретическом, но и прикладном аспекте. Некоторые из них приведены ниже:

1. Наноразмерные изменения структуры оказывают влияние на квантово-механические свойства электронов в веществе. С помощью наномасштабного конструирования материалов можно изменять их микрои макроскопические свойства, такие как, например, зарядовая емкость, намагничивание, температура плавления, без изменения их химического состава.

2. Ключевой особенностью биологических объектов является систематическая организация вещества на наноразмерном уровне. Развитие нанотехнологии позволило бы помещать наноразмерные объекты, созданные человеком, в живые клетки. Это также сделает возможным создание новых материалов при использовании процесса самосборки вещества в природе.

3. Наноразмерные компоненты имеют очень высокое отношение площади поверхности к объему, что делает их идеальными для применения в композиционных материалах и взаимодействующих системах для сохранения химической энергии (например, для поглощения водорода и природного газа).

4. У макроскопических систем с наноструктурой может быть намного более высокая плотность, чем у систем с микроструктурой. Они также могут лучше пропускать электрический ток. В результате путем управления взаимодействием и уровнем сложности наноструктур могут быть разработаны новые принципы построения электронных устройств одновременно с меньшими по размерам, но более быстродействующими схемами с более сложными функциональными возможностями и при этом со значительно меньшими затратами энергии [13, 14].

Умение управлять и манипулировать созданием наноструктур позволит использовать новые физические, биологические и химические свойства вещества, что относится к области приоритетных задач нанотехнологии — одного из самых быстроразвивающихся направлений современной науки. Это ознаменует следующий этап научно-технического прогресса, т.к. применение нанотехнологий переведет человечество на принципиально новый уровень ресурсопользования.

Особенность нанотехнологии по отношению к другим технологиям заключается в том, что функциональный элемент формируется не составлением из различных компонентов заданной формы, а изменением внутренней структуры материала. Воздействие на структуру может быть как восходящим, так и нисходящим. Нисходящий подход представляет собой использование инструмента для непосредственного манипулирования молекулами и атомами с целью создания функционального элемента. Восходящий подход заключается в создании таких условий в системе, при которых функциональный элемент образуется сам по себе. Такой подход интересен тем, что его точность определяется фундаментальными законами природы и в связи с этим использование точных инструментов не требуется, что удешевляет и упрощает технологию.

В рамках нанотехнологии исследуются материалы и системы, характеризующиеся следующими основными параметрами:

1) размером по крайней мере в одном из пространственных измерений от 1 до 100 нм;

2) процессом, разработанным с применением методик фундаментального контроля над физическими и химическими свойствами структур молекулярного размера;

3) свойством «строительных» блоков объединяться, образуя более крупные структуры.

Известно, что некоторые традиционно широко применяемые технологии (адсорбция, литография, ионный обмен, катализ) критически зависят от процессов, происходящих на наномасштабном уровне, поэтому к наиболее активно исследуемым областям относятся нанолитография, наноустройства, нанороботы, нанокомпьютеры, нанопорошки и нанокомпозиты, наноструктурированные катализаторы и нанопористые материалы, изделия из углеродных нанотрубок.

Большое внимание специалисты уделяют созданию и изучению структуры и свойств материалов, сформированных из кластеров, малых кристаллитов, фрагментов, имеющих объем, равный 10^2-10⁴ атомов. Концепция данного научного направления применительно к металлическим и керамическим материалам была сформулирована Г. Глейтером в 1981 г.

К наноматериалам (нанокристаллическим, нанофазным, наноразмерным и т. д.), согласно принятой терминологии, относятся объекты с характерным структурным размером менее 100 нм.

Интерес к наноматериалам (НМ) стал всеобщим, когда обнаружилось (особенно у металлов), что уменьшение размера кристаллитов ниже некоторой пороговой величины может приводить к заметному изменению свойств материалов. При этом размерный эффект — зависимость физических свойств твердого тела от размерных параметров структуры, когда они сопоставимы с характерным размером физического явления (длиной свободного пробега электронов, фононов, длиной когерентности в сверхпроводнике, зародыша новой фазы), — проявляется, когда средний размер кристаллических зерен, фуллеренов, нанопор, кристаллографических структурных элементов (модулей), кластеров, включений, нанонитей или пленок, гигантских молекул и пр. не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо наблюдается, когда размер зерен меньше 10 нм.

Максимальный размер наноструктур — 100 нм — принят условно. Начиная с размера L = 100 нм доля атомов, расположенных на поверхностях раздела (границах зерен и фаз), составляет несколько процентов; при дальнейшем уменьшении L эта доля существенно повышается, включая в себя и так называемые тройные стыки, достигая при L = 2 нм нескольких десятков процентов. Минимальный размер — размер отдельных атомов [15, 16].

Существуют различные виды НМ. По геометрическим признакам их подразделяют на нуль-мерные атомные кластеры и частицы, однои двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры, трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы.

По структурному признаку НМ могут быть отнесены к следующим группам материалов:

наноструктурные и нанокристаллические, в которых структурные составляющие (зерна, фазы, включения, поры) наноскопических размеров отделены друг от друга макроскопическими границами (межзеренными, межфазными кристаллическими, аморфно-кристаллическими, квазикристаллическими, свободными поверхностями);

нанокластерные, нанокристаллографические и/или субмолекулярные, структурными составляющими которых являются кластеры, крупные структурные единицы или макромолекулы, объединенные без формирования макрограниц, и наноструктурно-кластерные композитные, сочетающие структурные признаки первых двух групп.

В отдельную группу либо ко всем группам можно отнести материалы, структурные составляющие которых имеют размеры как нано-, так и микроили макромасштабного уровня, так называемые нано-микрокристаллические материалы, табл. 1.1 [16, 17].

Некоторые из перечисленных НМ находят эффективное применение в процессах изготовления, восстановления, упрочнения деталей машин и оборудования (рис. 1.1).

Рис. 1. Некоторые наноматериалы и возможные направления их применения на предприятиях технического сервиса

При техническом сервисе благодаря применению наноматериалов можно значительно (до 1,5−4 раз) увеличить ресурс работы машин, уменьшить выбросы загрязняющих окружающую среду веществ и эксплуатационные затраты, в том числе расход топлива.

Таблица 1.1

Основные группы наноматериалов

Наиболее значимые практические результаты могут быть достигнуты в направлениях исследований и разработок нанокристаллических, квазинанокристаллических материалов, фуллеренов и углеродных нанотрубок.

Нанокристаллические материалы — это однофазные или многофазные поликристаллы с размером зерна порядка 10 нм. В данных материалах до 50% объема может приходиться на межзеренные или межфазные границы. Для материала с размером зерна D и толщиной границы раздела h общая доля межзеренных границ раздела? V в объеме зерна V рассчитывается как

V_0,гр = ?V/ V = 1 — [(D — h)/D]³? 3h/D;

доля собственно межзеренных границ

V_{с, гр} = [3h (D — h)²]/D³,

доля тройных стыков

V_ТС = V_0,гр — V_{с, гр}.

При D? 5 нм объемные доли границ и стыков становятся соизмеримыми.

Межзеренные границы являются структурно неравновесными дефектами. Разупорядоченная структура границ зерен или межфазных границ, для которой даже ближний порядок не является обязательным, аналогична «газовому» беспорядку расположения атомов в пространстве.

Основными отличительными признаками структуры и субструктуры нанокристаллических материалов являются:

1) малый размер зерна и, соответственно, большая площадь границ в единице объема;

2) подавление дислокационных механизмов пластической деформации при размерах зерна ниже некоторого предельного значения и, соответственно, отсутствие дислокаций внутри нанозерен;

3) сильно неравновесное состояние границ зерен и обусловленные этим значительные внутренние напряжения;

4) возможные аморфная и пористая структуры границ.

Нанокристаллические материалы отличаются высокой диффузионной подвижностью атомов, которая на 3−5 порядков больше, чем в традиционных поликристаллических материалах.

Характерным для нанокристаллических материалов структурным деформационным процессом является возможность низкотемпературных сдвигов по границам зерен — зернограничное микропроскальзывание (когда напряжение движения и размножения дислокаций при уменьшении размера зерна становится выше напряжения образования элементарных сдвигов в границах).

Важная особенность нанокристаллических материалов — затруднение любых структурных сдвиговых процессов, в том числе мартенситных превращений, в объеме зерна.

Существенное отличие фононного спектра и связанных с ним физических свойств от наблюдаемых в крупнозернистых материалах обусловлено значительной долей межкристаллитного вещества нанокристаллических материалов. Более «рыхлое» расположение атомов в межкристаллитных границах с более низкими электронной и атомной плотностями влияет на температуру Дебая T_D, которая, как известно, служит мерой связи между атомами в конденсированной твердой среде. В нанокристаллическом железе T_D = 345 К, а в объемном кристаллическом железе T_D = 467 К.

Удельная теплоемкость компактированных нанокристаллических образцов Cu, Ni, Pd на 30−50% выше, чем обычных кристаллических металлов. Такое повышение теплоемкости, вероятно, обусловлено большей площадью границ раздела и соответствующим ей вкладом в теплоемкость.

У нанокристаллических материалов объемные физические свойства также заметно отличаются от свойств традиционных материалов. Для коэффициента объемного термического расширения в наблюдается следующая зависимость от размера зерна D:

в ~ D^-1.

Этот размерный эффект обусловлен как зависимостью теплоемкости с_р от размера зерна (т.к. в ~ с_р), так и изменением фононного спектра.

Так, коэффициент объемного термического расширения n-селена возрастает почти в полтора раза при уменьшении размера зерна от 30 до 10 нм.

Повышение теплоемкости и коэффициента термического расширения компактированных нанокристаллических материалов свидетельствует об их термической нестабильности, которая в свою очередь обусловлена неравновесностью границ зерен.

Заметное увеличение удельного электросопротивления с обычно происходит, когда величина D < 100 нм, что связано с наличием дефектов структуры нанокристаллических материалов, изменением фононного спектра и возможным влиянием примесей. При этом на межзеренной границе с_гз = 3•10^-12 Ом•см и является одинаковым для нанои крупнокристаллических материалов.

Электросопротивление нанокристаллических материалов можно рассчитать, используя правило смесей, по формуле с = с₀ + с_гз • (S/V),

где с₀ — электросопротивление монокристаллического материала с заданным содержанием примесей и дефектов;

S — площадь границ зерен;

V — объем зерна.

Когда размеры кристаллитов становятся соизмеримы с де-бройлевской длиной волны электрона, могут наблюдаться квантовые размерные эффекты — аномалии физических процессов, обусловленные соизмеримостью размеров структуры образца с эффективным радиусом или длиной пробега квазичастиц данной подсистемы — электронов, экситонов и т. д. Для электрических свойств это может проявляться в осциллирующем характере размерных зависимостей, что было обнаружено, например, в случае низкотемпературных измерений электросопротивления пленок Bi и Sb. Учет нарастающего влияния квантовых эффектов на проводимость нанообъектов особенно важен при разработке таких устройств, как нанодиоды, нанотранзисторы и т. п. Длина проводов здесь может быть меньше де-бройлевской длины пробега, а диаметр их сечения — меньше де-бройлевской длины волны электрона [16…19].

Теплопроводность материалов складывается из электронной и решеточной составляющих. Для металлоподобных объектов первая составляющая является преобладающей, а для полупроводников и диэлектриков перенос теплоты за счет фононов представляет основную часть. Поэтому уменьшение размера зерна D от 100 до 10 нм снижает теплопроводность материала в 2−2,5 раза за счет рассеяния электронов на межзеренных границах.

Механические свойства нанокристаллических материалов существенно зависят от размера наноструктурных элементов. Однофазные нанокристаллические материалы обладают высокой прочностью, но низкой пластичностью, что вызвано подавлением генерации и движения дислокаций из-за малого размера зерна. При этом основным источником упрочнения материала являются границы. Однако в ряде многофазных сплавов с наноструктурой (Al-Mn-Ln, Al-Cr-Ce-Co) сочетаются высокая прочность и хорошая пластичность.

Независимо от способа получения, микротвердость металлических нанокристаллических материалов в 3−5 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов, а для неметаллических материалов — в 2−3 раза. Исследования механических свойств нанокристаллических материалов показали, что соотношение Холла-Петча для микротвердости H_V и предела текучести у_у имеет вид

H_V = H_V0 + k_HD^-½,

у_у = у₀ + kD^-½,

где H_V0, k_H, у₀, k — параметры материала.

Это соотношение выполняется и в нанометровом диапазоне размеров зерен, однако зависимости у_у(D), H_V(D) значительно слабее, чем у традиционных материалов.

Предел текучести и напряжение разрушения для большинства нанокристаллических материалов близки, поэтому часто при растяжении растрескивание начинается практически сразу при достижении условия пластичности. Однако некоторые нанокристаллические материалы, например нанокристаллическая медь, полученная гальваническим путем, выдерживают значительные пластические деформации при растяжении (удлинение достигает 30%).

При рассмотрении дислокационных механизмов деформации учитываются две важные особенности процессов в области нанометрового диапазона: высокие затраты энергии при выгибании дислокаций и сложность формирования дислокационных скоплений. Для объяснения аномалий зависимости Холла-Петча нанокристаллических материалов предложены уточнения и модификации модели дислокационных скоплений для предела текучести поликристаллитов.

Сила отталкивания, приходящаяся на единицу длины, между двумя лидирующими краевыми дислокациями скопления равна:

F = мb²/2р (1 — н) l,

где м — модуль сдвига;

b — величина вектора Бюргерса;

н — коэффициент Пуассона;

l — расстояние между двумя лидирующими дислокациями скопления.

Равновесное расстояние между двумя дислокациями будет определяться балансом сил отталкивания и сближения под действием внешнего напряжения. Предел текучести у_у можно выразить через микротвердость H_V? 3у_у, с помощью которой оценивается предел текучести нанокристаллических образцов. Тогда предельное равновесное расстояние представляется в виде

l_с =3мb/р (1 — н) H_V.

Когда размер зерна нанокристаллического материала D меньше l_с, образование скоплений невозможно и закон Холла-Петча нарушается.

Наиболее вероятным механизмом пластической деформации нанокристаллического материала при D? 10−15 нм представляется зернограничная деформация (сдвиги по границам зерна).

Прочность нанокристаллических металлических материалов при растяжении существенно превышает прочность крупнозернистых аналогов, как для чистых металлов, так и для сталей.

Износостойкость нанокристаллических металлических материалов в ~ 10−50 раз выше износостойкости крупнозернистых сплавов. Так, при уменьшении размера зерна в никеле от 10 мкм до 10 нм скорость износа уменьшается от 1330 до 7,9 мкм.

Получение нанокристаллических состояний в конструкционных материалах открывает уникальные возможности для реализации нового уровня механических свойств: высокая прочность при оптимальном уровне пластичности, твердость, износостойкость.

Проводятся интенсивные исследования в области инструментальных наноматериалов (твердые сплавы, быстрорежущие стали и т. д.). Нанокристаллические твердые сплавы способны проявлять высокие показатели твердости (H_V = 22 — 24 ГПа) и трещиностойкости (К_с ~ 10 МПа•м^½).

Наноструктурные карбидные, нитридные и боридные пленки (TiC, TiN, TiB₂, Ti (C, N) и др.) уже используются в промышленном масштабе в качестве износостойких покрытий на металлорежущем инструменте, повышая его рабочий ресурс в несколько раз. Роль однослойного покрытия из карбонитрида титана и многослойного нитридного покрытия (Ti, Al, Y) N/VN демонстрируют следующие данные: обрабатываемый материал — легированная сталь твердостью 38 HRC; скорость резания — 385 м/мин; подача — 0,2 мм за 1 оборот; рабочий ресурс резца без покрытия — 7 мин; резца, покрытого Ti (C, N), — 53 мин; резца, покрытого (Ti, Al, Y) N/VN, — 141 мин.

Однослойные пленки TiN и Ti (C, N) толщиной 1,5−3,5 мкм благодаря высокой коррозионной и эрозионной стойкости, а также высокому сопротивлению термической усталости являются перспективными для покрытия форм, использующихся в литейном производстве.

Эффективно применяются полировальные пасты и противоизносные препараты на основе наночастиц. Последние (например, на основе бронзы) вводят в зоны трения машин и различных механизмов, что значительно повышает ресурс их работы и улучшает многие технико-экономические показатели (например, содержание СО в выхлопных газах снижается в 3−6 раз). На поверхности пар трения в процессе эксплуатации формируется противоизносный слой, образующийся при взаимодействии продуктов износа и вводимых в смазку наночастиц.

Перспективными являются пленочные антифрикционные композиционные наноматериалы на основе TiN/MoS₂, TiB₂/MoS₂, WC/аморфный углерод/WS₂, которые обладают значительной твердостью (10−20 ГПа), что обеспечивает высокую износостойкость, а также низкий коэффициент трения (менее 0,1). Подобное сочетание свойств обусловлено наличием в структуре данных материалов так называемых твердых смазок (халькогенидов переходных металлов VI группы Периодической системы). Размер фазовых включений составляет менее 5−10 нм [17, 19, 20].

Добавка наночастиц в полимерные матрицы — хорошо известный прием повышения физико-механических свойств полимеров. Замена металлических материалов на полимеры, армированные наночастицами, приводит в автомобилестроении к уменьшению массы автомобиля, снижению потребления топлива и смазочных материалов.

Несмотря на отмеченные примеры, значительного повышения механических характеристик нанокристаллических материалов не наблюдается, т.к. в целом комплекс механических и эксплуатационных свойств этих объектов слабо изучен. Отчасти это объясняется тем, что относительно массивные беспористые образцы, необходимые для изучения вязкости разрушения, ударной вязкости, циклической прочности и др., в основном можно получить методами интенсивной пластической деформации, которые стали развиваться сравнительно недавно.

К наиболее универсальным, с точки зрения разнообразия областей применения, наноматериалам принадлежат фуллерены и углеродные нанотрубки (рис. 1.2).

До 1985 года об углероде было известно, что он может существовать в природе в двух аллотропных состояниях: 3D-форме (структура алмаза) и слоистой 2D-форме (структура графита). Тогда стала известна новая 0D-форма углерода: сферическая структура из 60 атомов углерода, которая получила название «бакминстер-фуллерены» («buckminsterfullerence»). Данная новая форма углерода была открыта во время экспериментов по лазерному испарению. Спектральный масс-анализ показал присутствие кластеров с четным числом атомов углерода (n) для n > 40, с четким пиком для C₆₀. Все молекулы C₆₀ со структурой в виде каркаса стали называть фуллеренами.

В настоящее время установлено, что элементарный углерод способен образовывать сложные вогнутые поверхности, состоящие из пяти-, шести-, семии восьмиугольников. Открыты бесчисленные формы элементарного углерода: от самого низшего фуллерена С₂₀, имеющего форму правильного додекаэдра, состоящего из 12 углеродных пятиугольников, до гигантских фуллеренов, состоящих из стен атомов, многослойных «матрешек», «луковичных» структур и т. д. [21…23].

Рис. 1.2. Кристаллические структуры аллотропных модификаций углерода: a — алмаз; б — графит; в — лонсдейлит (гексагональный алмаз); г — карбин; д — фуллерен C₆₀; е — аморфный углерод; ж — одностенная углеродная нанотрубка

Углеродные нанотрубки и фуллерены проявляют необычные фотохимические, электронные, тепловые и механические свойства.

Одностенные углеродные нанотрубки могут вести себя как металлические, полуметаллические или полупроводниковые одномерные объекты, и их теплопроводность по длине трубки может превышать теплопроводность графита в плоскости слоев. Они прочны на разрыв (в 100 раз больше прочности стали). При диспергировании в однородной среде нанотрубки сохраняют присущие им механические свойства или даже усиливают структурно-механические характеристики носителя. Они имеют такую же электрическую проводимость, как медь, и такую же теплопроводность, как алмаз.

Фуллерены вводят в смазочные материалы, которые обеспечивают процесс «износ — восстановление». По данным ряда авторов, долговечность соединений, например цилиндро-поршневой группы, увеличивается в 2 раза [24, 25].

Полимерные композиты с наполнителями из фуллеренов и углеродных нанотрубок обладают повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью.

Высокие механические свойства углеродных нанотрубок представляют еще большую ценность, когда они внедряются в матрицу. Композитные материалы, содержащие углеродные волокна, весьма широко используются при производстве различных деталей. В таких материалах могут быть термопласты, реактопласты, металл или углерод.

Введение

углеродных волокон в матрицу не только усиливает жесткость и упругость материала, но также сильно повышает прочность, то есть способность сопротивляться образованию трещин.

В настоящее время ведется активная деятельность по поиску возможностей применения фуллеренов и углеродных нанотрубок. Продолжают проводиться многие научно-исследовательские работы с целью понять отличительные особенности углеродных нанотрубок, включая физико-химические свойства, их стабильность, поведение под действием напряжений и деформаций, взаимодействие с другими молекулами и наноструктурами и возможность применения в новых областях науки и техники.

Наиболее важное применение нанотрубок на предприятиях ТС основанно на их механических свойствах: нанотрубки используют с целью упрочнения композиционных материалов. Несмотря на то, что полимеры с нанотрубками в качестве наполнителя — это очевидная область их применения, не так много успешных экспериментов, отражающих преимущества использования нанотрубок перед обычным углеволокном. Основная проблема заключается в получении хорошей адгезии с полимерной матрицей и достижении необходимой передачи нагрузки от матрицы нанотрубкам при нагружении [25…27].

Атомно-гладкие нанотрубки имеют почти те же диаметры и отношения длины к диаметру, как и полимерные цепи. Нанотрубки почти всегда организованы в совокупности (жгуты), воспринимающие нагрузку не как отдельные нанотрубки.

Для максимального эффекта упрочнения нанокомпозита клубки трубок нужно разделить, а нанотрубки — распределить или переплести. Нанотрубки упрочняют композит, увеличивают прочность материала, поглощая энергию за счет своей гибкости и упругости. Увеличение прочности на разрыв на 25% наблюдается у нанокомпозитов с 5% нанотрубок по весу. Низкая плотность нанотрубок является преимуществом полимерных нанокомпозитов по сравнению с композитами, упрочненными короткими углеродными волокнами. Нанотрубки также повышают электропроводность материла и улучшают поведение композита при сжимающих нагрузках по сравнению с обычным углеволокном за счет гибкости и меньшей склонности нанотрубок к разрушению при сжимающих нагрузках.

Согласно результатам современных исследований [25], на основе широкого применения различных видов наноматериалов и нанотехнологий их создания решаются технические задачи, в том числе и относящиеся к сфере ТС (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Эффект применения некоторых нанотехнологий и наноматериалов при техническом сервисе машин

Наиболее важным аспектом успешного внедрения наноматериалов на производстве является их доступность для потребителя, что определяется прежде всего наличием отработанной технологии их изготовления.

Для получения наноматериалов могут быть использованы различные способы, которые разделяют на три группы согласно исходному агрегатному состоянию, из которого они формируются: получение из газообразного, жидкого и твердого состояний.

По технологии методы получения НМ могут быть разделены на следующие:

порошковой металлургии;

интенсивной пластической деформации;

контролируемой кристаллизации из аморфного состояния;

химической технологии.

Все вышеперечисленные методы отличаются многообразием возможностей аппаратурного оформления и в большинстве своем специфичны относительно создаваемых нанообъектов [19, 28]. Основные методы получения и особенности структур НМ приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Основные методы получения наноструктурных материалов и особенности их структуры

Посредством нанотехнологии можно создавать принципиально новые конструкционные и функциональные материалы, параметры которых определяются свойствами формирующихся заданным образом микрообластей, а также процессами, протекающими на атомном, молекулярном и наноразмерном уровнях. Приоритетными направлениями являются:

1. Конструкционные и инструментальные сплавы с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью.

2. Различные виды покрытий (защитные, износо-, термои коррозионностойкие, антифрикционные, пассивирующие, просветляющие).

3. Функциональная керамика для твердотельных топливных элементов.

4. Металлические нанопорошки различного состава.

5. Полимерные наноструктуры и жидкокристаллические наноматериалы для высокоинформативных и энергоэффективных систем отображения информации (новые типы дисплеев, электронная бумага).

Основное внимание исследователей практической сферы применения нанотехнологий на предприятиях ТС уделяется, в частности, следующим разработкам:

а) износостойким шинам, получаемым комбинацией наноразмерных частиц неорганических глин с полимерами, а также другим материалам, армированным наночастицами;

б) химико-механической полировке суспензиями наноразмерных порошков, твердым покрытиям и режущим инструментам высокой твердости;

в) функциональным наноструктурным материалам, обладающим оптимальным сочетанием физико-механических характеристик и устойчивостью к действию различных агрессивных сред [15, 20].

Приоритетными направлениями развития фундаментальных и прикладных исследований предусмотрена разработка физико-химических основ конструкционных материалов и технологий. Особое внимание уделяется изучению механизмов формирования атомных кластеров и плёночных систем с заданными уровнем свойств для разработки новейших композиционных материалов.

В настоящее время большой интерес исследователей вызывает разработка полимерных нанокомпозитов, в которых наноразмерные частицы металла (никель, медь, молибден, хром, полиметаллический комплекс) локализованы на поверхности элементов наполнителя — порошков или волокон.

Физические свойства металлических плёнок существенно изменяются при переходе к ультратонким слоям толщиной 10…500 нм. Нижнее ограничение этого интервала связано с тем, что при 10…15 нм плёнка теряет свою сплошность и представляет собой отдельные разорванные участки с дестабилизированными свойствами.

Технологические процессы получения нанокристаллических плёнок металла на подложках различной химической природы и структурных характеристик осуществляются с целью получения модифицированных элементов армирующей фазы, обладающих оптимальной степенью смачиваемости в полимерной матрице и сниженной реакционной способностью поверхностных образований, что способствует улучшению важнейших эксплуатационных характеристик композиции, таких как износостойкость, коэффициент трения, теплопроводность, устойчивость к действию агрессивных сред по сравнению с традиционными материалами.

Данные материалы характеризуются чрезвычайно развитыми межфазными поверхностями и обладают избыточной, по сравнению с однородными материалами, энергией, вследствие чего они являются энергонасыщенными системами.

Однако уменьшение структурообразующих частиц плёнки до нанометрового размера изменяет исходные свойства вещества не более чем на 20…30%. Кроме того, при получении изделий из наноматериала трудно сохранить малый размер наноструктур и, соответственно, достигнутый положительный эффект.

Это предопределяет необходимость поиска комплексного подхода к решению поставленных задач, который можно реализовать разработкой различных нанокомпозитов, где наряду с нанокристаллическими плёнками, локализованными на традиционных наполнителях, дополнительно вводятся отдельные наноструктуры (наночастицы металлов, углеродные нанотрубки), выполняющие роль модифицирующих добавок.

В рамках научно-исследовательской работы, результатам которой посвящена данная монография, создана серия полимерных нанокомпозитов, в которых в качестве упрочняющих и модифицирующих элементов применяются металлизированные волокна (стеклянные, углеродные), сульфидированные металлические порошки (ПГ-УС25), углеродные нанотрубки, нанопорошки железа.

Данные наноматериалы получены методом химического газофазного осаждения металлоорганических соединений и углеводородов. Метод характеризуется следующими особенностями: является универсальным по номенклатуре получаемых наноматериалов; позволяет сохранить возможность контроля и управления параметрами технологического процесса, а также размерами получаемого наноматериала, его химическим и фазовым составом.

Разработанные полимерные нанокомпозиты планируется применять в процессах изготовления, восстановления и упрочнения деталей машин и оборудования в условиях предприятий технического сервиса.