Нанотехнологии для машиностроения

Характерной особенностью развития ведущих экономически развитых стран является переход к инновационной экономике, внедрение перспективных разработок, принципиально новых высоких технологий во все сферы деятельности человека. Одним из приоритетных направлений развития научнотехнического прогресса в мире являются нанотехнологии. При этом данное направление зачастую рассматривается как рычаг, способный обеспечить политическое, финансовое и военное превосходство.

Первое упоминание о методах, впоследствии названных нанотехнологией (НТ), сделал Ричард Фейнман в 1959 году в своей знаменитой речи «Там внизу полно места». В 1974 году Норио Танигучи впервые назвал этим термином производство изделий размером порядка нанометров. В 1986 году он написал книгу «Машины созидания: грядет эра нанотехнологии», а Эрик Дрекслер популяризовал данный термин в книге «Инструменты развития: наступающая эрананотехнологии».

В СССР научно-техническое направление по получению и изучению свойств наноматериалов (НМ) (в то время УД материалов) сложилось в 50-е годы XX века. На предприятиях атомной промышленности СССР были получены порошки с размером частиц около 100 нм, которые успешно применялись при изготовлении высокопористых мембран для диффузионного метода разделения изотопов. В 60-е годы в ИХФ АН СССР был разработан левитационный метод получения УД порошков.

В 70-е годы с помощью использования электрического взрыва проводников и плазмохимического синтеза ассортимент УД порошков был существенно расширен.

В МИСиС и ряде других вузов и НИИ в 70-е годы были разработаны химические методы синтеза нанопорошков металлов и композиций на их основе. нанотехнология сплав машиностроение Машиностроение является, в основном, потребителем объемных наноструктурированных материалов (стали, титан и его сплавы, алюминиевые сплавы, керамика, пластмассы и композиционные материалы), материалов с памятью, порошковых материалов и комплектующих наноизделий (гидрои электрооборудование, нанопродукция приборостроения и др.). Существенный эффект ожидается от внедрения технологических процессов нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты, штампы и прессформы, а также износо-, коррозионно-, жаростойких и водооталкивающих покрытий деталей машин. Важное значение имеет наноструктурированная продукция триботехнического направления и оборудование для обработки деталей с нанометровой точностью и для нанесения нанопокрытий. При этом улучшение соответствующих качественных показателей (прочность, твердость, пластичность, износо-, жаро-, коррозионная стойкость и т. д.) может быть достигнуто как посредством введения наноразмерных добавок (нано-порошков, нанотрубок, фуллеренов и др.) при осуществлении того или иного технологического процесса (литье, прессование, нанесение покрытий и др.), так и за счет соответствующих технологических режимов изготовления заготовок и изделий (равноугольное прессование, термомеханическая обработка и др.). Сами по себе наноматериалы в чистом виде, например, углеродные трубки, не нужны: серьезные положительные изменения в экономику, в том числе и в машиностроение, внесут макроматериалы из нанотрубок или содержащие нанотрубки.

Рабочая группа по форсайту РНЦ «Курчатовский институт» считает, что к 2018 году будет происходить формирование рынка потребителей наноматериалов и псевдонаноматериалов (рыночных высокотехнологичных продуктов, заявленных как нанотехнологические, но таковыми не являющихся). Появится большое число потребительских продуктов, в которых тем или иным образом используются НТ, конструкционные композитные материалы на базе высокопрочных волокон (углеродных нанотрубок) для промышленного применения, например, в авиастроении, автомобильной и военной технике; увеличится применение нанопорошков и нанопокрытий, в том числе в машиностроении, применение НТ для производства абразивных материалов, буровых и металлообрабатывающих инструментов. В таблице 1 представлена классификация НТ для машиностроения.

Таблица 1. Классификация нанотехнологий для машиностроения

Повышение свойств наноструктурированного металла при использовании взамен аналога позволяет:

• 1. Снизить расход металла за счет облегчения массы изделий в связи с уникальными физикомеханическими свойствами материалов.
• 2. Снизить затраты в процессе эксплуатации более легких изделий.
• 3. Повысить надежность и срок службы изделий.
• 4. Снизить затраты на обработку, например в результате улучшения штампуемости.
• 5. Повысить стойкость инструмента.

Применение объемных НМ на металлической основе делает возможным инновационное перевооружение промышленности: авиакосмического, энергетического и транспортного машиностроения, станкоинструментальной, горнодобывающей, медицинской промышленности и ТЭК. Ресурс изделий различного назначения, изготовленных по новой технологии, может увеличиться от 200 до 500%.

Сейчас появилась возможность получения наноструктурированных материалов с дисперсионно-упрочненной структурой на основе порошков алюминия и/или его сплавов (например, Al-Mg и др.) При их изготовлении использован метод «реакционного механического легирования» в аттриторах с добавлением в различных вариантах в них углерода в виде графита, количества которого должно быть достаточно не только для образования механосинтезированных упрочняющих частиц (дисперсоидов) карбидов алюминия нанодисперсного уровня, но и для нахождения остаточного углерода в конечном (горячеэкструдированном) материале в виде равномерно распределенных в нем частиц графита, играющего роль сухой смазки. Разработанные материалы обладают следующими свойствами:

• 1) эксплуатационные, обеспечивающие (при применении в текстильной промышленности):
  • а) возможность увеличения скоростей вращения основных деталей и узлов текстильного оборудования и, соответственно, его производительности не менее, чем в 2,5 раза;
  • б) уменьшение износа трущихся поверхностей деталей на 10…15%, что обеспечено при коэффициенте трения материала при работе в паре со сталью ШХ15, равном 0,15…0,25;
  • в) снижение шума текстильных машин до уровня не более, чем 80 дБ;
  • г) снижение расходов на материалы для изготовления деталей на 15−20%.
• 2) физико-механические, обеспечивающие:
  • а) абсолютную плотность, в 2,5 раза меньшую, чем абсолютная плотность сталей и чугунов;
  • б) твердость по Виккерсу в пределах от 1000 до 1400HV;
  • в) предел прочности при растяжении — 300…400МПа;
  • г) предел прочности при изгибе — 400…600 МПа.
• 3) технологические, обеспечивающие:
  • а) хорошую технологичность при механической обработке и деформировании материалов;
  • б) возможность практического серийного изготовления материалов и, прежде всего, на уже имеющихся производствах по выпуску материалов аналогичного класса, например медных наноструктурных материалов ДИСКОМ.

Для известных автомобилестроительных фирм разработаны или разрабатываются полимерные нанокомпозиты. Они предназначены для ненагруженных элементов и деталей кузова и подкапотного пространства автомобиля и двигателя, внешней облицовки (молдинги, бамперы, обвесы, спойлеры и др.), внутренних элементов (панели приборов, перегородки, усиливающие элементы кресел, коврики, шумо-, пыле-, грязезащитные элементы и др.), трубок и быстрорасъемных систем топливоподачи, трубок, дефлекторов и направляющих кожухов системы охлаждения двигателя и кондиционирования салона, трубок подвода и отвода масла, щеток стеклоочистителя, шин и др. :

финов (корпорация Volvo, General Motors);

каучуковые нанокомпозиты;

биоволокнистые нанокомпозиты;

биопенопласты;

омпозиты с использо-ванием нанотрубок;

самоочищающие и противообледенительные составы, а также многофункциональные наноуглепластики с плотностью 400 кГ/м³, позволяющие изменять первоначальный цвет окраски по желанию потребителя.

Кроме того, непосредственно в машиностроении уже используются технологии и оборудование для изготовления деталей машин с нанометровой точностью, и в этом направлении продолжаются дальнейшие исследования: электроискровая и электрохимическая обработка, фрезерование, шлифование, полирование, доводка и др.

Большие возможности для машиностроительных отраслей промышленности в области применения НМ и нанопокрытий представляют имеющиеся и будущие разработки износо-, и коррозионностойких и других функциональных нанопокрытий, а также композитов и других материалов, упрочненных наноразмерными материалами, предназначенных для авиаи ракетно-космической техники.

Эффект от использования НМ выражается в экономии средств на транспортировку, сокращении энергозатрат, ослаблении нагрузки на окружающую среду, повышении эксплуатационных свойств. Несмотря на ожидаемое развитие производства изделий с их использованием, до сих пор нет обобщающих работ по оценке экономической эффективности этого направления науки и техники. Сложность ее заключается в том, что до сих пор, как упоминалось ранее, идут в основном научные проработки на лабораторном уровне. Существует множество вариантов получения необходимых свойств. Эффективность использования НМ и функциональных нанопокрытий может быть обеспечена при наличии соответствующих специалистов.

Однако, существенное значение имеет не только подготовка специалистов, непосредственно занимающихся исследованиями и созданием продукции наноиндустрии, но и специалистов отраслей промышленности, которые будут использовать производимые наноматериалы и наноустройства, а может быть, и смогут подключиться к производству тех или иных НМ и изделий из них.

На основании анализа открытых информационных источников установлено:

телем как наноструктурных, так и наноструктурированных материалов, и нанотехнологий;

ень научных разработок наноматериалов и нанотехнологий для машиностроительных отраслей соответствует мировому, а порой и превосходит его;

строительного производства: литейное (ультразвуковые нанотехнологии подготовки формовочных материалов и изготовления гипсовых форм с повышенными физикомеханическими свойствами для цветного литья, влияние наносекундных электромагнитных импульсов на расплавы цветных металлов и др.), кузнечно-прессовое, сварочное, инструментальное производства, термообработка, гальваника, сборка, нанесение износо-, и коррозионностойких, лакокрасочных, воодоотталкивающих и других покрытий, а также при ремонте как технологического, так и выпускаемого предприятием оборудования;

териалов для машиностроения является как низкий технический уровень предприятий машиностроительных отраслей страны, так и отставание предприятий страны в производстве наноматериалов (нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов и др.).

ют невозможным рентабельное освоение инноваций;

вышения квалификации специалистов — будущих потребителей нанотехнологий и наноматериалов (в том числе руководителей и специалистов машиностроительных отраслей промышленности), а также пропаганде достижений в области наноиндустрии для машиностроения.