Пятница, 17.01.2020, 15:50
Приветствую Вас Гость | RSS
Семнадцатая Олимпиада посвящена 75-летию Победы над фашизмом
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Работы 1-го тура » Готовые работы

Нанотехнологии в авиастроении

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Ишимбайский нефтяной колледж
Автор: Сайфутдинов Марат, 16 лет, студент ГАПОУ ИНК группы ЭП1-19
Научный руководитель: Левашова Алла Николаевна, преподаватель физики ГАПОУ ИНК

Нанотехнологии в авиастроении

Содержание

I. Введение
II. Основная часть
1. Нанотехнология с научной точки зрения
2. Наночастицы
3. Новейшие достижения. Наноматериалы
4. Методы исследования
5. Применение нанотехнологии в авиастроении
6. Основные направления использования нанотехнологии в авиации
1) Облегчение конструкции летательного аппарата
2) Аэродинамика
3) Измерительные системы
4) Решение проблемы обледенения
5) Двигатель
6) Добавление наночастиц в авиационное и ракетное топливо
7) Достижения России в нанотехнологической отрасли
7. Как получают наночастицы
III. Проведение эксперимента «получение наночастиц в домашних условиях»
IV. Вывод
Интернет источники

Введение

В России, как и во всем мире,применение нанотехнологий вызывает огромный интерес и набирает все большую весомость.Основная задача применения нанотехнологий в авиастроении - повышение качественных, летных и прочностных характеристик летательных аппаратов. Достижение новых технических вершин требует высоких материальных вложений. На сегодняшний день авиация как никогда нуждается в новых возможностях и технологических решениях.

Гипотеза исследования: передовые научные исследования все быстрее внедряются в технику, следовательно, для создания конкурентоспособной, безопасной, экономичной авиации необходимо, в том числе, все шире применять нанотехнологии.

Задачи исследования:

  1. изучить физические основы нанотехнологий;
  2. исследовать методы получения наночастиц;
  3. получить наночастицы углерода.

Цель работы:

Исследовать основные применения нанотехнологий в авиастроении;

Дать определение, что такое нанотехнологии и изучить их основные положения.

Методы исследования:

Анализ информации из источников интернета;

Экспериментальный метод исследования.

Основная часть

Нанотехнологии в авиастроении

«Надо, чтобы бизнес понимал, что если он сегодня не пойдет в нанотехнологии, то пропустит всё на свете и будет в лучшем случае в телогрейке работать на скважине, которую будут обслуживать и управлять наши друзья и партнеры». — Михаил Ефимович Фрадков российский государственный деятель 1950г.

Нанотехнологии появились в последней четверти ХХ века. Сегодня они стремительно развиваются. Казавшиеся раньше научной фантастикой проекты сегодня внедряются в жизнь. Будущее связано с нанотехнологиями.Человечество всегда стремилось проникнуть глубже – на атомный уровень. Компьютеры и мобильные телефоны сделали нашу жизнь другой. Очевидно, что следующим перспективным направлением способным изменить нашу жизнь станут нанотехнологии. Эрик Дрекслер, дал определение: нанотехнология - "ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой"

1. Нанотехнология с научной точки зрения

Нанотехноло́гия — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

2. Наночастицы

Наночастицы– это частицы размерами от 1 до 100 нанометров.Наночастицы некоторых материалов имеют оченьхорошие каталитические и адсорбционные свойства, другие материалы показывают отличные оптические свойства.К примеру возьмем сверхтонкие плёнки некоторых органических материалов. Их можно применять для производства дешевых, гибких солнечных батарей. Искусственные наночастицы взаимодействуют с белками нуклеиновыми кислотами и другими природными объектами наноразмеров. Необычные свойства проявляются у структур в которые самовыстраиваются наночастицы.

Три основных класса нанообьектов: трехмерные, двухмерные, одномерные.

Трехмерные частицы могут быть получены например взрывом проводников, синтезом в плазме, восстановлением тонких пленок. Двухмерные – это пленки получаемые методами ионного или молекулярного наслаивания, CVD, ALD. Одномерные обьекты называются вискерами. Их получают методом молекулярного наслаивания или введением вещества в цилиндрические микропоры. Нанокомпозиты получаются введением наночастиц в матрицы, иногда на поверхности матрицы получают плоские островковые объекты. Их размеры от 50 нанометров. Такие микролитографии применяются в электронике. Для создание микронных пленок используют метод CVD, ALD.

В медицине, косметологии применяют органические наночастицы.

3.Новейшие достижения. Наноматериалы

  1. Графен - двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом.
  2. Углеродная нанотрубка - это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.
  3. Фуллерен - молекулярное соединение, представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из трёхкоординированных атомов углерода.
  4. Монокристалл - отдельный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку.
  5. Аэрогели - класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной.
  6. Аэрографит представляет собой синтетическую пену, состоящую из трубчатых волокон углерода.

4. Методы исследования

Новые методы исследований: сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) в комплексе с оптическими и электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов).

5. Применение нанотехнологии в авиастроении

Применение нанотехнологий позволяет создать более легкую и эффективную технику с уменьшенными потреблением энергии и влиянием на окружающую среду. В большинстве промышленно развитых стран ведутся активные работы по внедрению нанотехнологий в авиастроение. Например, в Германии действует восемь научных центров изучающих проблемы нанотехнологий.

6. Основные направления использования нанотехнологии в авиации

1) Важнейшая задача современного самолетостроения – это облегчение конструкции летательного аппарата. Улучшить эксплуатационные характеристики самолета, удешевить его производство может использование нанотехнологий при сваривании материалов и замена сплавов титана и алюминия на наноматериалы.

Существенно улучшить прочность сварного шва с использованием кристаллизации при сварке с помощью наночастиц карбида титана позволил метод лазерной сварки разработанный учеными из Института теоретической и прикладной механики СО РАН. Кроме того, при этом возрастает предел прочности, относительное удлинение и предел текучести материала.

Объединить полезные характеристики материалов позволяют композиционные материалы. Они включают в себя два или большее число веществ. В авиации это особенно актуально. Обеспечиваются целостность крыльев самолета, фюзеляжа. Экономится алюминиевые листы и крепежные детали. Ресурс узлов и агрегатов увеличивается, масса самолета значительно уменьшается, расход топлива снижается, грузоподъемность возрастает. Первая модель изготовленная в основном из композиционных материалов – самолет Ту-204, в авиалайнере Ту-214 из композиционных материалов изготовлено 25% конструкции в Boeing-787 –60%.

2)Аэродинамика.Самолеты выполняющие длительный крейсерский полет нуждаются в большом расходе топлива. Снизить его можно уменьшая сопротивление давления и трения. Если изменить режим течения воздуха в пограничном слое с турбулентного на ламинарный можно снизить сопротивление трения на 80%. Ученные разработали гибкую ленту наклеиваемую на поверхность крыла в которой имеются сенсоры и актуаторы. Эти механизмы вносят малые возмущения в пограничный слой. В качестве механизмов используют микронные полости с пьезокристаллом. В нем создается вихревая пара равная по амплитуде и противоположная по направлению колебаниям воздуха в пограничном слое.

3)Измерительные системы. Глобальный мониторинг параметров обтекания самолета возможен на основе использования нано- и MEMS — датчиков. Они позволяют получить объемную и точную информацию о состоянии конструкции самолета в данный момент.

MEMS датчики – это микроустройства получаемые методом комбинирования механических элементов, датчиков, электроники на общем кремниевом основании,в производстве которых используются модифицированные технологические приемы микроэлектроники.

4) Решение проблемы обледенения. Опасное явление порой приводящее к трагическим последствиям - обледенение самолетов. Оно затрудняет экплуатацию летательных аппаратов.Что бы предотвратить образования льда, используется сверхгидрофобное нанопокрытие из кремнийорганической смолы с наночастицами кремния (размером от 20 нанометров до 20 микрометров максимум).

Все покрытия с частицами кремния размером менее 10 микрометров отталкивали воду, лишь покрытия с частицами менее 50 нанометров в диаметре полностью предотвращают оледенение. Такие малые размеры частиц означают и минимальный контакт с водой (вода соприкасается лишь с воздушной прослойкой между частицами и стекает с поверхности, не замерзая).
 

5) Двигатель. Безопасность полета, скорость самолета, расход топлива – все это зависит от двигателя. Коэффициент полезного действия, мощность и другие показатели эффективности двигателя могут быть улучшены за счет применения легких, прочных, термостойких материалов. Такие материалы как нанофазная керамика для термозащитных покрытий лопастей авиационных турбин увеличивают ресурс и мощность двигателя.

6)Добавление наночастиц в авиационное и ракетное топливо.Эти мероприятия помогут повысить эффективность сжигания топлива, достичь повышения температуры, скорости горения. Полнота сгорания топлива увеличит мощность двигателя снизит расход топлива. Сохраняемое в наноструктурированных средах с высоким отношением площади поверхности к массе, водородное топливо позволяет решать проблемы экологии.

7) Достижения России в нанотехнологической отрасли.

В нашей стране активно ведутся исследования способов увеличения упруго-прочностных характеристик углепластика на основе эпоксидной матрицы, модифицированной наночастицами. Для этого была использована золь-гель технология с целью введения наночастиц оксида циркония и других наномодификаторов в эпоксидную матрицу. Это позволило специалистам институтов России увеличить упругопрочностные характеристики полимерного композиционного материала на 25–30%.

Эти разработки позволили изготавливать корпуса облегченные и более прочные летальные аппараты и детали для них.

Следующим направлением работ в области нанотехнологий является создание материалов с более низкой теплопроводностью, чем теплопроводность воздуха. Для получения таких теплоизоляционных свойств были выбраны высокодисперсные, наноструктурные материалы. Так как теплопроводность зависит не только от общей пористости материала, но и от размера пор, наноструктурные теплоизоляционные материалы с порами менее 100 нм имеют теплопроводность близкую или даже ниже теплопроводности воздуха. Теплофизическая оценка опытных образцов подтвердила правильность подхода к выбору состава и технологии изготовления нового теплоизоляционного материала ТИМ-МП. Коэффициенты теплопроводности наноструктурного теплоизоляционного материала заметно меньше, чем у волокнистых материалов типа ТЗМК.

Основными направлениями применения материала ТИМ-МП является теплоизоляция:

  • бортовых устройств регистрации полетных данных самолетов и вертолетов с целью сохранения их работоспособности в чрезвычайных ситуациях;
  • двигателей в гражданской авиации и ракетостроении;
  • сталеразливочных ковшей и прочих агрегатов для разливки металлов и сплавов;
  • энергетического оборудования, промышленных печей.

Разработка электрохимических устройств с применением твердых электролитов на основе диоксида циркония. Твердые электролиты представляют собой твердый раствор ZrO2 с добавками оксидов иттрия, кальция, магния, алюминия и других металлов обладают ионной проводимостью по кислороду. Уникальное сочетание высоких термомеханических и проводящих свойств материалов на основе частично стабилизированного ZrO2 обусловило широкое применение их в качестве твердых электролитов для высокотемпературных электрохимических устройств различного назначения:

  • в датчиках контроля кислорода в кабинах летательных аппаратах;
  • в высокотемпературных электролизерах воды для получения водорода;
  • в топливных элементах;
  • в кислородных насосах;
  • в датчиках контроля кислорода для оптимизации процессов литья конструкционных высококачественных сталей, для минимизации выбросов вредных веществ в автомобильных двигателях и для оптимизации и контроля процессов в химических и энергетических ядерных установках.

В качестве исходных компонентов для твердых электролитов используются нанокристаллические порошки диоксида циркония.

7. Как получают наночастицы

Основные методы получения наночастиц:

  • диспергационные методы - измельчение образца для получения наночастиц;
  • конденсационные методы- выращивание наночастиц из атомов;

Конденсационный метод: нагревание монокристалла до температуры плавления испрение, резкое охлаждение получившегося пара. Наночастицы при этом упорядочиваются и объединяются в наноагрегаты. Затем наноагрегаты превращаются в микро кристаллы. При это дефектные и мелкие испаряются, совершенные и более крупные продолжают расти. До достижения большинством наночастиц размеров сто нанометров система остается в наносостоянии, затем переходит в равновесие. Можно создать искусственные условия для консервации нанокристаллов, предотвращающие переход частиц в компактное вещество. Также конденсация может происходить не из пара, а из раствора. Для этого необходимо создание специальных условий предотвращающих слипание наночастиц. Это возможно при биохимическом, фотохимическом и радиационно-химическом синтезе.

Диспергационный способ – монокристалл измельчается до наноразмеров механически. Процесс продолжается и система остается в наносостоянии. Затем для предотвращения исходного монокристалла в систему вводят стабилизатор. Им может быть молекулярный раствор полимеров белков или поверхностно активных веществ.

Молекулы стабилизаторы облепляя наночастицу предотвращают ее дальнейший рост.

Вот несколько методов получения наночастиц:

1. Измельчение вещества до наночастиц взрывом металлической нити импульсом тока. 

 

2. Электродуговое распыление графита. В камере с инертным газом создается электрический разряд между графитовыми электродами. Происходит ионизация атомов газа и распыления графита. 

3. Лазерное испарение графита и его конденсация на охлаждаемом коллекторе. 

4. Метод получения углеродных нанотрубок при химическом осаждения углеродосодержащего газа на поверхности металлического катализатора.

Эксперимент «получение наночастиц в домашних условиях»

Цель: получить наночастицы углерода и изучить их строение, свойства и применение.

Оборудование. Для первого прибора: источник электричества, два провода (медных), лампочка, свеча и спички, АВДТ (автомат, через который будем проводить ток), кабель с вилкой и розетка. Для второго прибора: неодимовые магниты, медная проволока, свеча и спички.

Введение:

В данном эксперименте был использован конденсационный метод получения наночастиц. При сгорании свечи в магнитном или электрическом поле образующиеся частицы твердого углерода конденсируются на электроде. Т.к. они ионизируются они находятся в наносостоянии. Дефектные кристаллы при этом испаряются, а наиболее крупные растут. Мы получаем углеродный порошок из наночастиц, который может быть использован в практических целях.

Ход работы

Собираем прибор для получения наночастиц по данной на фотографии схеме.

 

Соблюдая технику безопасности, подводим два электрода к пламени свечи не соприкасая их друг с другом и наблюдаем, как на них начинают образовываться наросты углерода. Это происходит за счет того, что частицы углерода наэлектризовываются и движутся вдоль силовых линей электрического поля.

 

Ранее проводимые подобные опыты ученными показали, что полученные наночастицы абсолютно полностью состоят из углерода:

 

Такой углерод можно использовать для изготовления смазочных средств, т.к. такие шарики будут работать, как шарикоподшипник, так же применять как антикоррозийное покрытие. Самое главное свойство полученного наноматериала – большая прочность следовательно можно использовать при шлифовании металла или стекла.

В первом опыте частицы нарастали за счет электрического поля, в этом опыте будет действовать магнитное поле. Принцип тот же. Прибор собираем по схеме.

  

Вывод: мы имеем реальные способы получения наночастиц углерода, изучили их строение и применение.

Вывод

Таким образом исследование доказало, что нанотехнологии все шире применяются в авиации и это дает отличные результаты. Появляются новые методы получения наночастиц, применение нанотехнологий становится доступнее. Применение нанотехнологий – веление времени! Оно уже приносит и еще принесет большую выгоду человечеству. Поэтому просвещение общества и особенно молодежи – актуальная задача. Я надеюсь, что моя работа внесет свой вклад в реализацию этой задачи, тем более, что простейшие углеродные порошки из наночастиц могут быть получены даже в домашних условиях.

Интернет источники:

  1. https://studopedia.org/1-24600.html- Студопедия - Нанотехнологии в авиастроении;
  2. http://avia.pro/blog/nanomaterialy-v-aviacii-novye-vozmozhnosti-dlya-letatelnyh-apparatov- авиа про - Наноматериалы в авиации: новые возможности для воздушных судов;
  3. https://moluch.ru/conf/tech/archive/87/4280/- Возможность и перспективы использования нанотехнологии в авиационной отрасли;
  4. https://ru.wikipedia.org/wiki/- Википедия;
  5. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2010/primenenie-nanotekhnologii-v-aviatsionno-kosmicheskoi-otrasli - Сайт о нанотехнологиях #1 в России.

 

Категория: Готовые работы | Добавил: Service (27.12.2019) | Автор: Сайфутдинов Марат Ринатович
Просмотров: 91 | Рейтинг: 3.0/3
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК ЗАВЕРШЁН!
ТЕСТИРОВАНИЕ ЗАВЕРШЕНО!
ПРИЁМ РАБОТ 1-ГО ТУРА
ЗАВЕРШЁН!

Календарь
Их многие читают
Павлушкин Вячеслав Сергеевич (151)
Мулюков Марат Айдарович (115)
Сенов Семен Артемович (97)
Сайфутдинов Марат Ринатович (90)
Тикшаев Владимир (85)
Калмыкова Полина Игоревна (81)
Расторгуев Даниил Игоревич (74)
Сёмина Дарья Владимировна (70)
Малышев Никита Сергеевич (69)
Мингалеев Данир Альбертович (60)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2020