Перспективы применения нанотехнологий при создании новых видов ПКМ
advertisement
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (национальный исследовательский университет) Кафедра 102 Проектирование вертолетов Перспективы применения нанотехнологий при создании новых видов ПКМ Выполнил: ст.преподаватель Башаров Е. А. Консультант: доцент Завалов О. А. Москва 2012 г. Введение: Нанотехнология должна принципиально изменить методы изготовления конструкционных материалов. Возможность синтезировать наномасштабные элементы структуры с точно регулируемыми размерами и составом, а затем собирать такие элементы в более крупные структуры, обладающие уникальными свойствами и функциями, приведет к революционным изменениям во многих отраслях материаловедения и промышленности. Использование наноструктур позволит получать более легкие и прочные полимерные композиционные материалы (ПКМ) с программируемыми характеристиками, снизить стоимость эксплуатации вертолета благодаря повышению их качества. Хотя начальная стоимость наноматериалов может оказаться высокой, их коммерческое производство будет прибыльным из-за большей эффективности конструирования изделий и их обработки, а также из-за того, что нанотехнология оперирует лишь необходимым минимумом материалов и почти не дает вредных отходов. Основные области применения нанотехнологии в материаловедении и производстве конструкционных материалов перечисляются ниже: 1) Изготовление наноструктурных керамических и изделий из ПКМ с точно заданными размерами, т. е. изделий, не требующих дальнейшей машинной обработки; 2) Разработка прямых методов получения наноструктурных защитных покрытий с повышенной стойкостью к электрическим, химическим, термическим, механическим и природным воздействиям; 3) ПКМ армированные тканями и полимеры с диспергированными наночастицами, имеющие улучшенные механические характеристики и низкую воспламеняемость; 4) Разработка методов получения ПКМ с улучшенными характеристиками на основе ориентирования и намотки волокон, ламинирования и литьевого прессования пластмасс; 5) Создание сверхпрочных наноструктурных ПКМ. 1. Наночастицы - как новый способ получения ПКМ За последние годы были разработаны новые, экономически выгодные способы консолидации нанопорошков. В частности, были созданы технологии, позволяющие изготавливать из керамических порошков детали и изделия вертолета без дополнительной механической обработки, что облегчает их крупномасштабное производство. Исследование механических свойств показывает, что такая керамика вследствие микрозернистости структуры обладает значительной пластичностью при сжатии. Такое поведение материала может быть объяснено с помощью существующих моделей скольжения по границам зерен. Оно связано с тем, что мелкие кристаллические зерна (образуемые наночастицами до процесса консолидации) при наложении нагрузки могут сдвигаться относительно друг друга без разрушения связей через межзеренные границы, поскольку диффузионный (атомный) перенос позволяет быстро «восстанавливать» возникающие на границе микроповреждения. Именно такая диффузионная аккомодация в при- граничных областях позволяет изготовлять в штампах из нано-фазных керамические и КМ изделия готовой формы. Так например, могут изготавливаться зубчатые колеса, корпуса редукторов и элементы трансмиссии перспективных вертолетов. Хотя развитие методов «точного формования» только начинается, их практическая ценность представляется очевидной. Рис.1 Формование изделий из консолидированных наночастиц Процесс электроспиннинга – вытягивание тончайшего волокна (на микро- или нано- уровне) из жидкости под действием электрического поля — известен более 100 лет. В последнее время электроспиннинг стал чрезвычайно популярным. Произошло это благодаря развитию нанотехнологий. Оказалось, что с его помощью можно получать нановолокна из самых разных материалов – полимеров, композитов, полупроводников, металлов, даже керамики. Более того, используя различные конструкции и модификации аппаратуры, можно формировать ансамбли нановолокон, расширяющие возможности применения. Для синтеза углеродных нановолокон с наночастицами палладия Pd японские и корейские ученые модифицировали методику следующим образом. Они добавили в раствор полимерного прекурсора (полиакрилонитрила) хлорид палладия. Полученные нановолокна стабилизировали термообработкой на воздухе. Стабилизация на воздухе – важный шаг для превращения органических волокон в углеродные без нарушения морфологии волокна. Рис.2 Схема установки электроспиннинга при вытягивании нановолокна Такой способ получения нановолокон, декорированных наночастицами металла, имеет ряд преимуществ перед обычным синтезом нановолокон или нанотрубок на катализаторах: 1) не нужно удалять частицы катализатора; 2) нановолокна могут быть получены в виде тонкой ткани; 3) частицы Pd частично внедрены в волокно и поэтому прочно связаны с его внешней поверхностью и волокно обладает электропроводимостью. Рис.2 Нановолокна в электронном микроскопе на разных стадиях синтеза 2. Повышение огнестойкости полимерных материалов и создание наноструктурных покрытий Пластмассы сейчас используются в разнообразных отраслях промышленности — от самолето и вертолетостроения до производства бытовых товаров. Один из основных недостатков пластмасс — горючесть, постоянно создающая серьезные проблемы при их применении. Проблемы не сводятся только к пожарной безопасности, поскольку продукты сгорания полимеров часто представляют собой ядовитые и вредные вещества. Огнестойкость пластмасс может быть значительно повышена введением в них диспергированных неорганических наполнителей из наноразмерных порошков. Например, тепловыделение при образовании термопластических и термоотверждаемых полимерных материалов может быть снижено на 40—60% путем введения всего 2—6 вес.% наноразмерного наполнителя из силикатных глин (наполнитель вводится в виде слоев или дисперсии). Наноразмерная структура слоя наполнителя улучшает его характеристики, поскольку он не только замедляет горение, но и препятствует выделению летучих соединений, образующихся при разложении полимера. Снижение горючести может быть доведено до самозатухания пламени, однако не менее важным является то обстоятельство, что (в отличие от применения других огнестойких добавок) механическая прочность, физические характеристики и обрабатываемость материалов с нанодобавками почти не ухудшаются, а вредные продукты горения (монооксид углерода, сажа, токсичные вещества) выделяются в небольших количествах. Поэтому перспектива использование таких полимеров при проектировании элементов интерьера пассажирских кабин самолетов и вертолетов очевидна. Наряду с высокой огнестойкостью рассматриваемых нанокомпозитов они обладают и высокой абляционной стойкостью, сравнимой с ее величиной у тех абляционных материалов, которые сейчас используются в ракетных двигателях. Такие материалы играют решающую роль для защиты поверхностей двигателей и наземного оборудования от воздействия высоких температур (> 2000°С), переменных тепловых нагрузок и химически агрессивных сред при скоростях обтекания от 0,01 до 10 М. Введение всего 1,6 об.% однородно диспергированного наноразмерного слоистого силиката в найлон-6 создает материал, образующий при абляции относительно жесткий слой неорганической окалины, скорость эрозии (потери массы) которой как минимум на порядок ниже, чем у чистого найлона-6. Рис.3 Огнестойкий нанокомпозитное покрытие корпуса сопла двигателя Термическое напыление наноструктурных покрытий представляет собой перспективный подход, позволяющий использовать необычные механические и физические свойства наноструктурных материалов (прочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость). Число атомов на границе наноразмерного кристаллического зерна сравнимо с числом атомов внутри самого зерна. Из-за увеличения удельной площади границы количество примесей на единицу площади границы уменьшается по сравнению с крупнозернистым материалом того же состава при той же объемной концентрации примесей, Более чистая поверхность зерен обеспечивает более однородную коррозионную морфологию и более высокую коррозионную стойкость вдоль границ по сравнению с крупнозернистым кристаллическим материалом. Исследования последних лет показали, что у наноструктурных покрытий с размером зерен менее 100 нм происходит резкое улучшение физических характеристик . Наноразмерные кристаллические зерна не только обладают высокой термической стабильностью, но и эффективно тормозят движение дислокаций, что придает покрытиям сверхвысокую прочность и, в некоторых случаях, сверхвысокую ударную вязкость. Еще одно важное преимущество покрытий с наноразмерной зернистой структурой связано с уменьшением остаточных напряжений, что впервые позволило создать значительно более толстые покрытия (в отдельных случаях их толщина в четыре раза больше, чем у покрытий из обычных материалов). Рис.4 СЭМ-изображение обычного (а) и наноструктурного (б) покрытия Введение наночастиц на поверхность многих синтетических полимерных материалов (пластиков) позволяет обеспечить следующие преимущества: —существенный рост твердости поверхности и так называемой стойкости к царапанию ( твердость по Моосу); —улучшение многих механических свойств (жесткость, ударная прочность, термостойкость и т. п.); —повышение электрического сопротивления и термостойкости. При этом улучшение свойств пластиков происходит без снижения основных характеристик исходных пластических материалов, то есть при сохранении заданных уровней термо- и погодостойкости, а также сопротивляемости к воздействию химических веществ. Частицы диоксида кремния в этих составах имеют размер меньше 50 нм, а содержание окиси кремния в них может даже превышать 50%, но при этом покрытие в целом не становится слишком жестким или вязким, то есть в таких веществах прекрасно комбинируются лучшие свойства органических полимеров. Потенциальные применения рассмотренных методов включают широкий спектр технологий — от термозащитных покрытий лопаток газовых турбин, противокоррозиционных покрытий фюзеляжа, антиабразивных покрытий несущего и рулевого винтов вертолетов до износостойких деталей вращения. Прибыль от их внедрения в авиационной промышленности может составить несколько миллиардов долларов в год. Рис.5 Антиабразивное нанопокрытие лопасти несущего винта вертолета 3. Сверхпрочные наноструктурные композиционные материалы В последние годы, конструкторы стремясь решить проблему снижения веса вертолетов, начали использовать ПКМ. Однако ПКМ достаточно дороги и пока еще имеют ряд недостатков, в частности обладают малой сдвиговой прочностью. Это сдерживает их широкое применение. Решением проблемы могли бы стать нанокомпозиты, которые состоят из обычных полимеров, армированных диспергированными в них наночастицами. Рис.6 Структура ПКМ, армированного наночастицами Детали и целые агрегаты вертолета из таких материалов можно легко изготавливать (с очень высокой точностью) экструзией или формованием. По коррозионной стойкости, звукопоглощению, монолитности (трещиностойкости) и способности к переработке нанокомпозиты превосходят традиционные материалы, однако для их производства требуется разработка методов диспергирования частиц в объеме полимера, а также методов изготовления деталей из таких материалов. При армировании ПКМ непрерывными волокнами (нити, жгуты, ровинги, ткани и т.д.) добавление наночастиц в композицию не только улучшает жесткостные и прочностные свойства композита, но главное увеличивается трещиностойкость, т.к. из-за атомарных явлений наночастицы “склеивают” армирующие волокна в трансверсальном направление, тем самым увеличивая монолитность ПКМ. Производство слоистых наноструктур с толщиной слоев, регулируемой на атомном уровне точности, позволит на новом уровне увеличить межслоевую прочность слоистых пластиков. Углеродные нанотрубки – ключ к созданию сверхпрочных армирующих элементов перспективных ПКМ: Однако наиболее приоритетными в разных странах считаются работы по созданию нанокомпозитов с наполнителями из углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки - это один из наиболее перспективных материалов для разнообразных применений, поскольку они обладают рядом замечательных характеристик, включая прочность, жесткость, ударную вязкость, химическую стойкость, теплопроводность и электропроводность. Примером может служить создание фуллереновых трубок (рис.7), которые почти полностью оправдали надежды ученых на необычность и перспективность свойств таких материалов. В своей структуре они близки к свойствам других известных форм углерода (графита и алмаза). Углеродные нанотрубки позволяют получать исключительно прочные ПКМ, возможности которых на несколько порядков превосходят существующие композиционные материалы. Рис.7 Структура фуллереновых углеродных нанотрубок В настоящее время ведутся интенсивные исследования возможностей использования нанотрубок (или материалов на их основе) для производства сверхпрочных армирующих элементов перспективных ПКМ. Метод лазерного испарения обеспечил получение граммовых количеств углеродных трубок, что позволило начать химические исследования по манипулированию короткими трубками и их сборке и стимулировало развитие прикладных работ по использованию обнаруженных свойств. Молекулярный характер фуллереновых нанотрубок позволяет разработать химическую стратегию сборки этих трубок в пригодные для использования структуры и материалы. Сегодня науке известны многие разновидности углеродных структур, включая углеродные нанотрубки, крошечные углеродные трубки, которые можно сплести вместе и получить очень плотный материал в виде жгута. Техническая проблема массового производства таких нанотрубок, в принципе, уже решена. Тем временем, многокомпонентным волокнам из готовых нанотрубок приписываются астрономические показатели предела прочности и вязкости разрушения. Таким образом разработка методов получения однослойных углеродных нанотрубок для структурного упрочнения ПКМ является перспективным направление в нанотехнологиях. Рис.8 Многослойная углеродная нанотрубка Применение современных конструкционных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность. Наноструктурные композиты демонстрируют значительное повышение прочности и пластичности при деформировании. Их предел прочности на растяжение составляет около 2 ГПа, а относительное удлинение равно 10%. Эти результаты показывают, что при переходе к наноструктурным материалам отношение прочность/пластичность может стать значительно большим, чем у современных конструкционных материалов. Современные методы исследования процессов деформирования сложных наноструктурных материалов открывают перед исследователями богатые возможности для изучения поведения материалов с прочностью, близкой к теоретическому пределу. Нанотрубки характеризуются высокой жесткостью, и поэтому материалы на их основе могут вытеснить большинство современных аэроконструкционных материалов. Исследователи из NASA и компания LiftPort Inc. предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими "Космическим лифтом" на основе сверхпрочной ленты из нанокомпозита. Лента должна быть изготовлена из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 Гпа. Для сравнения, прочность стали — около 1 ГПа, кевлара в пределах 2,6—4,1 ГПа, а у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше. Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз. Две различные команды исследователей из США и Австралии создали прозрачную тканевую ленту, состоящую из нанотрубок длиной 1 м и шириной 5 см. Как и ожидалось, лента обладает высокой прочностью. Соотношение прочность/вес материала ленты выше, чем у стали высокой закалки. Рис.9 Космический лифт на орбиту с тросом из ленты на основе углеродных нанотрубок Рис.10 Лента космического лифта на основе углеродных нанотрубок Рис.11 Однослойная ткань, сплетенная из углеродных нанотрубок, в электронном микроскопе Ученым из Массачусетского технологического института удалось создать новую технологию производства композитных материалов с применением углеродных нанотрубок. Исследователи полагают, что эта технология найдет широкое применение в авиационной промышленности для производства летательных аппаратов нового поколения. При помощи компьютерного моделирования исследователям удалось показать, что при особой склейке нанотрубки будут проникать в полимерную матрицу, сплетая различные армирующие слои, что позволяет сделать матрицу более прочной в целом. Расчеты показывают, что полученный ПКМ заметно прочнее аналогов, выполненных без использования нанотрубок. Еще одним плюсом технологии, по словам ее создателей, является тот факт, что модификация существующих мощностей для производства новых материалов минимально скажется на их стоимости. Производство масштабных изделий из таких волокон в виде ПКМ уже не за горами: высокопрочные строительные материалы для высотных зданий, мостов и лифтов, силовые элементы каркаса планера самолетов и вертолетов и т.д. 4. Нанополимеры и перспективы их создания В настоящее время перспективным направлением считается создание нанополимеров и технологий их изготовления. В лабораторных условиях уже получены наноразмерные полимеры (в виде округленных брусков, конусов и пластин). Показано, что путем самосборки они могут образовывать трубчатые, сферические, слоистые и ламелльные структуры (рис.12). Эти новые типы полимеров могут найти разнообразные практические применения — от сложных связующих до покрытий, предотвращающих образование льда. Во многих случаях практическое использование наноструктур зависит лишь от возможности организовать их массовое и недорогое производство. Недавно было показано, что техника формования полимеров, которая уже давно применяется при создании структур микрометровых размеров в различных материалах, пригодна и для производства наноструктур. При наличии исходной наноструктуры необходимо изготовить форму из эластомера, которая затем используется для получения реплик (копий) из полимеров, отверждаемых под действием УФ-излучения. Рис.12 Самосборка нанополимеров в функциональные структуры Рис.13 Нанокомпоненты и структуры, собранные из отдельных атомов Недавно в нанотехнологии был использован новый процесс формования полимеров в наномасштабе, который называется атомным осаждением с лазерной фокусировкой. В этом процессе стоячая волна лазерного излучения образует ряд атомных «микролинз», которые концентрируют атомы хрома в процессе осаждения их на поверхность, создавая наномасштабные объекты по принципу «снизу-вверх» за одну стадию. Рис.14 Структура волокна, собранная из отдельных атомов 5. Выводы и итоги Уже сегодня нанотехнологии играет важную роль в развитии химической промышленности в разработке новых конструкционных материалов. Для практического внедрения таких материалов в конструкцию летательных аппаратов особую важность имеет развитие промышленного производства различных наночастиц, из которых и создаются новые материалы, тонкослойные покрытия и т. п. Уже существует четко выделенный ряд материалов, специальные свойства которых базируются именно на размерных особенностях наноматериалов. Будущие нанокомпозиты, благодаря своим малым размерам, сложному строению и молекулярной точности изготовления, будут намного совершеннее существующих изделий, получаемых на основе привычных «монокристаллических» технологий. Но для широкого внедрения нанотехнологии в производстве агрегатов вертолета требуются новые методы крупномасштабного производства, включая новые способы обработки материалов и деталей и манипулирования ими. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
